Топологические изоляторы — открытие физики XXI века

Физики из Московского физико-технического института и Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН сделали еще один шаг на пути к применению топологических изоляторов — материалов с уникальными электрическими свойствами, которые еще недавно считались лишь гипотетическими объектами. Исследователям удалось выяснить, как в подобных материалах устроено взаимодействие между атомами магнитных примесей.

Зависимость энергии частиц в топологическом изоляторе от величины их импульса.Светлые линии соответствуют квантовым состояниям в объеме материала,а красные и синие — на поверхности

Топологические изоляторы — это открытие физики XXI века. Они были предсказаны теоретически в 2005 году, а впервые синтезированы в 2008 (антимонид висмута). Внутри они ведут себя как полупроводники, а на поверхности (у границы) их свойства похожи на свойства металла — например, по поверхности подобного материала свободно протекает электрический ток. Сейчас этот новый класс материалов активно изучают по всему миру, включая МФТИ. Ожидается, что их необычные свойства будут востребованы при создании электронных схем с минимальными потерями на тепло, квантовых компьютеров и других перспективных устройств.

Но для того, чтобы создавать полезные устройства на основе топологических изоляторов, необходимо понимать, как на их свойства влияют различные несовершенства их структуры: в частности, присутствие атомов с ненулевым магнитным моментом. Напомним, что магнитный момент характеризует величину магнитного поля, которое может создавать атом.

То, как такие атомы (например, атомы железа или марганца) взаимодействуют между собой, давно исследовалось в разных материалах. В металлах их взаимодействие носит название взаимодействия Рудермана — Киттеля — Касуи — Йосиды (Ruderman — Kittel — Kasuya — Yosida) в честь теоретиков, которые его впервые изучили еще в середине 1950-х годов. В полупроводниках взаимодействие магнитных атомов называется «косвенным обменным взаимодействием», и его впервые теоретически исследовали Бломберген и Роуланд (Bloembergen, Rowland) в 1955 году. Большой вклад в изучение косвенного обменного взаимодействия внес также А.А. Абрикосов — советско-американский физик, нобелевский лауреат, занимавшийся фундаментальными вопросами физики твердого тела. Знание косвенного обменного взаимодействия — энергии связи между магнитными атомами, ее зависимости от расстояния между ними и температуры — позволяет предсказывать то, как будут упорядочиваться магнитные моменты этих атомов при низких температурах в данном веществе.

В новой статье, опубликованной журналом Physical Review B, исследователи рассмотрели взаимодействие атомов с ненулевым магнитным моментом в том случае, когда они расположены недалеко от границы двумерного топологического изолятора. Игорь Бурмистров (сотрудник ИТФ им. Л.Д. Ландау РАН и лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ) вместе со студентами 5 курса кафедры теоретической физики факультета общей и прикладной физики МФТИ Павлом и Владиславом Куриловичами изучали косвенное обменное взаимодействие между атомами марганца в двумерном топологическом изоляторе на основе квантовой ямы CdTe/HgTe/CdTe.

Фраза «на основе квантовой ямы» означает, что между пленок теллурида кадмия (CdTe), имеется тонкая полоса из теллурида ртути (HgTe). Квантовые характеристики этих веществ разные, поэтому электроны внутри полосы из теллурида ртути не могут свободно перейти за ее пределы, они как бы находятся на дне «ямы-ловушки», преодолеть «стенки» которой можно лишь при наличии определенной энергии.

По словам Игоря Бурмистрова, специфика задачи «состояла в том, что, в зависимости от расположения магнитных атомов, в топологическом изоляторе они взаимодействуют как в металле (если оба магнитных атома находятся у границы) или как в полупроводнике (если оба магнитных атома находятся вдали от границы)».

Исследователь также рассказал, в чем состоит специфика двумерного топологического изолятора: «В двумерных топологических изоляторах движение квазичастиц происходит в плоскости, что связано с большой величиной энергии размерного квантования в квантовой яме». Квантованием называют эффект, при котором какая-либо система может иметь энергию только с определенными значениями, а размерное квантование — это то, что наблюдается при ограничении размеров системы. В очень тонких слоях или полосках вещества частицы ведут себя иначе, чем в «классических» образцах вроде куска медного провода или полупроводникового кристалла.

Главным результатом теоретического анализа стало предсказание нового типа косвенного обменного взаимодействия между магнитными атомами в двумерном топологическом изоляторе. С одной стороны, оно напоминает аналогичное взаимодействие в металлах, а с другой — типичную для полупроводников картину. Такое необычное сочетание является определяющим для взаимодействия пар магнитных атомов, один из которых находится вблизи границы, а другой — вдали от нее. Несмотря на то, что прямого практического применения полученные теоретические результаты не имеют, они важны для дальнейшего исследования влияния магнитных атомов на распространение электрического тока вдоль границы двумерного топологического изолятора.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.