ИСТИНА

Спинтроника является одной из наиболее быстро развивающихся областей науки и техники. В настоящее время эта технология рассматривается, как одна из ключевых компонент систем обработки и хранения информации нового поколения. В отличие от электроники, в спинтронике носителем информации выступает не заряд электрона, а связанный с ним магнитный момент - спин. Эта замена позволяет снизить более чем на два порядка энергию, затрачиваемую на запись одного бита данных при сопоставимых скоростях переключения. Кроме того, элементы логики и памяти, работающие на принципах спинтроники, являются стойкими к ионизирующему излучению и энергонезависимыми. Открытие топологических фазовых переходов положило начало одной из наиболее плодотворно развивающихся областей современной физики и химии твёрдого тела. Под топологическими фазовыми переходами чаще всего подразумеваются переходы с изменением топологического параметра порядка электронной подсистемы, которая описывается числом Черна. Одним из наиболее изучаемых классов материалов с нетривиальной топологией электронных состояний являются топологические изоляторы (ТИ), в объеме представляющие собой узкозонный полупроводник с Eg~0.05-0.4 эВ, а на гетерогранице с тривиальным диэлектриком обладающие бесщелевыми электронными состояниями. ТИ привлекают интерес благодаря особенностям электронной структуры и ряду новых физических эффектов, недавно открытых для данных объектов. Их использование в перспективе может обеспечить прорыв в области искусственного интеллекта, машинного обучения, квантовых вычислений и коммуникаций. К предлагаемым и разрабатываемым устройствам относятся спиновый полевой транзистор, оптический детектор с высоким коэффициентом поглощения, топологический кубит, мемристор, а также газовые сенсоры, устройства хранения информации и солнечные панели. За последние десять лет наметился новый подход к экспериментальной реализации данной технологии, основанный на совмещении в одном материале свойств топологического изолятора (ТИ) и (анти-)ферромагнетика. Объединение свойств топологического изолятора и (анти-)ферромагнетика в одном материале возможно как на основе единственного соединения (MnBi2Te4, легированный атомами Cr монокристаллический (BixSb1-x)2Te3), так и на основе двухкомпонентных гетероструктур, один из компонент которой обладает нетривиальной топологией зонной структуры, а второй-магнитным упорядочением. Комбинация нетривиальной зонной структуры и нарушенной Т-симметрии порождает уникальную платформу для реализации целого ряда физических явлений – эффекты переноса спинового и спин-орбитального вращательного момента, спин-зарядового преобразования, спинового и квантового аномального эффектов Холла, а также состояния аксионного изолятора. В настоящее время, эти эффекты рассматриваются как фундамент для решения основных задач спинтроники - генерации, переноса и фильтрации спинового и спин-поляризованного токов. Магнитные топологические изоляторы проявляют ряд интересных эффектов, наиболее важным из которых является квантовый аномальный эффект Холла (QAH, КАЭХ). Впервые его наблюдали в 2013 году для (Bi,Sb)2Te3 легированных Cr и V при крайне низких температурах (50мК-1К). Актуальной является задача повышения температуры магнитного упорядочения в магнитных топологических изоляторах. Недавние исследования показали, что монокристаллы MnBi2Te4 и MnBi4Te7 имеют антиферромагнитный тип упорядочения спинов при температурах TN =24-25 К и TN= 12.5 K соответственно. В этих материалах, при температурах ниже температуры Нееля, в топологических состояниях поверхности возникает запрещённая зона, а на одномерных краях поверхности локализуются топологически-нетривиальные одномерные состояния, имеющие потенциальное применение для бездиссипативного спинового транспорта. Для этих состояний, при условии наличия электрон-дырочной симметрии, также предсказано существование хиральных фермионов майорановского типа, на которых основана концепция топологического квантового кубита. Ключевой задачей спинтроники является создание эффективного спин-зарядового преобразователя. Один из подходов основан на использовании обратного эффекта Эдельштейна. Высокие групповые скорости носителей заряда, а также низкие сечения спин-импульсного рассеяния делают топологические изоляторы одной из наиболее перспективных платформ для реализации высокоэффективных спин-зарядовых конвертеров, работающих при температурах вплоть до комнатных . Материалы с эффектом Рашбы, также являются перспективными для создания спин-зарядового преобразователя, благодаря наличию спин-расщеплённых состояний, а следовательно, ненулевым временем спин-импульсного рассеяния. Совмещение двух типов электронного газа на гетерогранице ведет к появлению двух вкладов в эффективность спин-зарядового преобразования, взаимодействие которых может быть как конструктивным, так и деструктивным, в зависимости от спиральности электронных состояний Рашбы Дальнейшее развитие топологической спинтроники требует как разработки соответствующей материальной базы, так и детального понимания физики явлений, наблюдающихся в системах, обладающих нетривиальной топологией электронных состояний, модифицированных обменным взаимодействием. При создании устройств всегда возникает вопрос о стабильности материалов и требованиях к атмосфере, в которой проводится синтез и дальнейший процессинг. Особенно это важно для тонких слоев. Все обсуждавшийся выше материалы подвергаются окислительному воздействию атмосферы. При этом происходит существенное перераспределение компонентов вблизи границы оксидный слой-кристалл. Механизмы окисления на данный момент хорошо изучены только для элементарных веществ. Для многокомпонентых соединений и твердых растворов такая задача гораздо сложнее и требует анализа распределения компонентов на атомном уровне, что было невозможно до недавнего момента, да и сейчас не является тривиальной задачей.