Nature написал об историческом открытии с участием физиков ТГУ
23 Декабря 2019

Международная команда физиков-теоретиков, основу которой составляют выпускники Томского государственного университета, сотрудники лаборатории наноструктурных поверхностей и покрытий ТГУ и Университета Страны Басков, сумела теоретически предсказать первый антиферромагнитный изолятор MnBi2Te4. Результаты этого исследования опубликованы в престижном журнале Nature.

Топологический изолятор — особый тип материала, который внутри объёма представляет собой диэлектрик (изолятор), а на поверхности проводит электрический ток.

Материалы, называемые топологическими изоляторами, сочетают свойства полупроводника в объеме и металла на поверхности (пять-шесть атомных слоев). Однако в отличие от обычных металлов, таких как медь или алюминий, электрический ток на поверхности топологического изолятора протекает без рассеяния. Это открывает широкие возможности для применения таких материалов в новых электронных устройствах. Такие устройства будут обладать более высокой скоростью выполнения операций и потреблять значительно меньше энергии, чем приборы традиционной электроники. Открытие в 2007 году немагнитных топологических изоляторов вызвало настоящий «бум» исследований в областях физики твердого тела и нанотехнологий.

– Одной из ключевых задач в течение десятилетия интенсивных исследований во всем мире стало создание магнитного топологического изолятора. Вплоть до недавнего времени эта цель достигалась исключительно искусственным образом, то есть путем внедрения магнитных атомов в объем немагнитного топологического изолятора. Истинного магнитного топологического изолятора, то есть стабильного и упорядоченного химического соединения, сочетающего в себе свойства магнетика и топологического изолятора, не существовало, – рассказывает заведующий лабораторией наноструктурных поверхностей и покрытий ТГУ Владимир Кузнецов.

Международная команда физиков-теоретиков сумела теоретически предсказать первый антиферромагнитный изолятор MnBi2Te4. Основу этой команды составляют выпускники Томского государственного университета, сотрудники лаборатории наноструктурных поверхностей и покрытий ТГУ (лаборатория создана по постановлению Правительства РФ № 220, научный руководитель – профессор Евгений Чулков), а также представители Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) и Университета Страны Басков (Сан-Себастьян, Испания).

Коллектив лаборатории

В состав объединенной группы вошли Михаил Отроков, Игорь Русинов, Александра Вязовская, Сергей Еремеев, Юрий Коротеев, Владимир Кузнецов и Евгений Чулков. Все они имеют большой опыт исследований топологических материалов, электронной структуры, магнетизма и материаловедения. На протяжении долгого времени группа находилась в постоянном поиске, изучала различные подходы к внедрению магнетизма в топологические изоляторы. В итоге работа, проделанная за десять лет, привела ученых к выводу, что вышеупомянутый способ создания магнитных топологических изоляторов, т.е. внедрение магнитных атомов в матрицу немагнитного материала, исчерпал себя.

– Это дорога в никуда, – отмечает Владимир Кузнецов. – Единственной жизнеспособной альтернативой являлся истинный магнитный топологический изолятор. Поэтому мы и направили значительные усилия на поиск такого материала. На основе предыдущего опыта мы знали, какую кристаллическую структуру и атомный состав должен иметь такой материал. То есть, всё получилось прямо по Конфуцию, который сказал, что успех зависит от предварительной подготовки.

Экспериментальная реализация первого антиферромагнитного топологического изолятора потребовала широкой коллаборации, в рамках которой сотрудничали исследователи из ведущих научных центров России, Азербайджана, Германии, Австрии, Японии, Италии и США. Итоги этой работы опубликованы в журнале Nature.

Результаты исследования физиков были доступны на сервере препринтов ArXiv.org, и сейчас MnBi2Te4 и материалы на его основе уже изучаются в десятках исследовательских центров по всему миру, в основном в России, Германии, Испании, США и Китае. 

С теоретической точки зрения MnBi2Te4 представляет собой необычайно богатую платформу для изучения необычных свойств и эффектов. Потенциал данного материала варьируется от возможности наблюдения в нем нескольких типов эффекта Холла, которые представляют большой интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения, до реализации квазичастиц, называемых фермионами Майораны. Последние считаются краеугольным камнем квантовых вычислений.
Более того, MnBi2Te4 является первым химическим соединением, которое согласно теоретическим предсказаниям должно обладать электромагнитным откликом, очень схожим с поведением аксиона – гипотетической частицы, постулированной в рамках квантовой хромодинамики и рассматривающейся в качестве одного из кандидатов на роль частиц, составляющих «темную материю». Сама по себе эта частица еще не была обнаружена. В настоящее время значительная часть экспериментальной деятельности, связанная с изучением материалов семейства MnBi2Te4, направлена ​​именно на обнаружение признаков «аксионного» поведения.
Что касается практического применения, то на сегодняшний день уже запатентованы концепции нескольких устройств на основе магнитных топологических изоляторов. Так, MnBi2Te4 теоретически может использоваться в устройствах, называемых «киральными интерконнектерами», которые должны иметь превосходную производительность и в, конечном итоге, заменить обычные медные интерконнектеры, которые используются в коммерчески доступных интегральных схемах в настоящее время. Также магнитные топологические изоляторы могут быть использованы для создания оптических модуляторов, датчиков магнитного поля и элементов памяти.