Ученые Санкт-Петербургского государственного университета улучшили характеристики магнитного топологического изолятора MnBi2Te4, который открыли в этом же университете. Работа опубликована в Physical Review Research при поддержке гранта РНФ.
Что такое магнитные топологические изоляторы
Эти материалы обладают парадоксальным свойством: внутренний объем не пропускает электрический ток, а поверхность отлично его проводит. Главная особенность — электроны на поверхности движутся с четко определенной ориентацией спина, что делает их устойчивыми к рассеиванию на дефектах. Проводимость остается стабильной даже при наличии повреждений в структуре.
Прорыв петербургских ученых
Исследователи заменили марганец на свинец в кристаллической решетке MnBi2Te4. Результат: повышение качества материала и сокращение числа дефектов. Эксперименты с добавлением германия и олова позволили изменить магнитные параметры и скорректировать величину запрещенной зоны, которая определяет электропроводность.
Дмитрий Естюнин, старший научный сотрудник СПбГУ, отмечает: команда продолжает работу над уменьшением запрещенной зоны для дальнейшего роста проводимости и исследует способы управления магнитными характеристиками под конкретные задачи.
Практическое применение
Спинтроника. В отличие от классической электроники, где информация передается зарядом электрона, здесь используется его спин. Преимущества: повышенная скорость передачи данных, увеличенная плотность записи, меньшее энергопотребление и компактные размеры устройств. Спинтроника рассматривается как замена кремниевым технологиям.
Квантовые компьютеры. На базе связки «топологический изолятор — сверхпроводник» с применением фермионов Майораны можно создавать защищенные кубиты — более стабильные элементы квантовых вычислительных систем.
Энергетика. Некоторые топологические изоляторы семейства Bi2Te3 эффективно преобразуют тепло в электричество. Такие материалы уже работают в автономных источниках питания.
Метрология. Материалы применимы для создания новых эталонов измерения электрического сопротивления с высокой точностью, особенно там, где нужно исключить влияние внешних магнитных полей.
Что дальше
Физики СПбГУ развивают три направления: синтез объемных кристаллов для лабораторных исследований, выращивание тонких пленок методом молекулярно-лучевой эпитаксии для промышленного масштаба и разработку прототипа спинового фильтра для управления потоками электронов с определенным спином. Работа ведется на базе ресурсных центров Научного парка университета.