ИСТИНА

Открытие топологических фазовых переходов положило начало одной̆ из наиболее плодотворно развивающихся областей̆ современной̆ физики и химии твёрдого тела. ПОдним из наиболее изучаемых и перспективных с точки зрения приложения классов материалов с нетривиальной̆ топологией̆ электронных состояний являются объемные топологические изоляторы (ТI). Эти материалы представляют собой̆ узкозонный полупроводник с Eg~0.05-0.4 эВ, на поверхности которого существуют бесщелевые топологически защищенные электронные состояния. В последние время ТI привлекли к себе особый интерес. Это произошло благодаря недавно реализованным топологическим материалам имеющим собственные магнитные (MTI), сегнетоэлектрические (FETI) или сверхпроводящие (STI) свойства благодаря особому сочетанию примесей. Использование такого свойства данного класса веществ, в перспективе, может обеспечить прорыв в создании не только пост-кремниевых технологий, но и сверхпроводниковой электроники и спинтроники. В основе таких приборов лежат квантовые явления, происходящие на границе фаз тривиальной и нетривиальной топологии электронных состояний -- гетерогранице, которые сильно зависят от атомной структурой границы между ними. Наибольший интерес представляют гетероструктуры, в которых один, либо оба компонента имеют нарушение симметрии различного типа: Т-симметрия для магнетика, инверсионная симметрия для сегнетоэлектрика, электрон-дырочная симметрия для сверхпроводника. Проект предполагает изучение взаимосвязи атомная структура – состав – электронная структура следующих гетерограниц: TI-сегнетоэлектрик, MTI-сегнетоэлектрик, MTI - сверхпроводник. В проекте будет использован комплекс методов синтеза и диагностики гетероструктур, экспериментального и теоретического исследования их электронных и магнитных свойств. На сегодня набор методов исследования строения гетерограниц крайне ограничен; практически единственным надежным методом является просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ПЭМВР) в сочетании с рентгеновской спектроскопией с атомным разрешением. Применение метода ПЭМВР в рамках настоящего проекта предполагает решение фундаментальной проблемы - выявление влияния атомной структуры гетерограниц (по данным ПЭМВР) на электронные строение и функциональные свойства рассматриваемых систем. Проект поделён на две части по признаку исследуемых объектов. 1) Исследование гетерограниц TI-сегнетоэлектрик и MTI-сегнетоэлектрик нацелено на поиск и изучение новых явлений, основанных на взаимодействии электронных состояний с нетривиальной топологией и спин-расщеплённых состояний Рашбы, которые наблюдаются в некоторых сегнетоэлектрических полупроводниках A4B6 (GeTe, GexSn1-xTe). Практический интерес в таких объектах вызван в первую очередь возможностью настройки спин-орбитального взаимодействия электронного газа Рашбы путём приложения внешнего электрического поля, что в условиях спин-зависимой гибридизации топологических и Рашбовских состояний может быть использовано для управления квантовыми свойствами гетерограниц. 2) Гетероструктуры MTI – сверхпроводник представляют интерес с фундаментальной точки зрения как системы, в которых нетривиальная топология электронных зон сосуществует с магнетизмом и сверхпроводимостью, что порождает уникальную платформу для наблюдения ряда экзотических явлений, таких как фермионы майорановского типа. После изучения электронно-транспортных и магнитно-транспортных свойств изготовленных гибридных структур планируется полный анализ атомного строения границ между материалами с применением ПЭМВР.

The discovery of topological phase transitions marked the beginning of one of the most fruitfully developing areas of modern physics and chemistry of solids. Topological phase transitions are most often understood as transitions with a change in the topological order parameter of the electronic subsystem, which is described by the Chern number. One of the most studied and promising from the point of view of application classes of materials with nontrivial topology of electronic states are bulk topological insulators (TI). These materials are a narrow-gap semiconductor with Eg ~ 0.05-0.4 eV, on the surface of which there are gapless topologically protected electronic states. In recent times, TIs have attracted particular interest. This is due to recently realized topological materials having their own magnetic (MTI), ferroelectric (FETI) or superconducting (STI) properties due to a special combination of impurities. Those. it became possible to change the bulk properties of the material while maintaining the surface topologically protected electronic states. The use of this property of this class of substances, in the future, can provide a breakthrough in the creation of not only post-silicon technologies, but also superconducting electronics and spintronics. So, the devices currently proposed for development based on MTI, FETI or STI include a spin field-effect transistor, an optical detector with a high absorption coefficient, a topological qubit, a memristor, information storage devices, and even solar panels. Such devices are based on quantum phenomena that occur at the phase boundary of the trivial and nontrivial topology of electronic states - the heterointerface, which strongly depend on the atomic structure of the boundary between them. Of greatest interest are heterostructures in which one or both components have different types of symmetry breaking: T-symmetry for a magnet, inversion symmetry for a ferroelectric, electron-hole symmetry for a superconductor. The project involves the study of the relationship atomic structure - composition - electronic structure of the following heterointerfaces: TI-ferroelectric, MTI-ferroelectric, MTI - superconductor. The project will use a set of methods for the synthesis and diagnostics of heterostructures, experimental and theoretical studies of their electronic and magnetic properties. At present, the set of methods for studying the structure of heterointerfaces is extremely limited; virtually the only reliable method is high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) combined with atomic resolution X-ray spectroscopy. The application of the HRTEM method within the framework of this project involves solving a fundamental problem - revealing the influence of the atomic structure of heterointerfaces (according to HRTEM data) on the electronic structure and functional properties of the systems under consideration. The project is divided into two parts according to the studied objects. 1) The study of TI-ferroelectric and MTI-ferroelectric heterointerfaces is aimed at searching and studying new phenomena based on the interaction of electronic states with nontrivial topology and spin-split Rashba states, which are observed in some ferroelectric semiconductors A4B6 (GeTe, GexSn1-xTe). Practical interest in such objects is caused primarily by the possibility of tuning the spin-orbit interaction of the Rashba electron gas by applying an external electric field, which, under conditions of spin-dependent hybridization of topological and Rashba states, can be used to control the quantum properties of heterointerfaces. Based on this principle, some devices that play a key role in spintronics, for example, a spin-charge converter, can be implemented. 2) MTI-superconductor heterostructures are of interest from a fundamental point of view as systems in which a non-trivial topology of electronic bands coexists with magnetism and superconductivity, which gives rise to a unique platform for observing a number of exotic phenomena, such as Majorana-type fermions. From a practical point of view, the antagonism of superconductivity and (antiferro-)magnetism can be used to create a splitter of Cooper pairs, or topologically protected qubits. After studying the electron-transport and magnetic-transport properties of the fabricated hybrid structures, a complete analysis of the atomic structure of the boundaries between materials using HRTEM is planned.

По результатам работы будут найдены гетероструктуры, наиболее перспективные с точки зрения совмещения свойств сегнетоэлектрика и топологического изолятора, т.е. содержащие планарный интерфейс, компонент-сегнетоэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией при комнатной температуре, и локализованные вблизи гетерограницы топологически нетривиальные состояния и спин-поляризованные состояния Рашбы. Результаты заключительного этапа проекта, посвященного исследованию гетерограниц между сверхпроводником и топологическим изолятором, позволят, во-первых, заполнить пробел между имеющимися теоретическими исследованиями электронных свойств таких систем, во вторых, определить условия создания гетероструктур с чётко определённым интерфейсом, для котором методом низкотемпературной ФЭСУР или СТМ будет подтверждено открытие запрещённой зоны в конусе Дирака в результате наведённой сверхпроводимости. Кроме того, будет исследована возможность получения сверхпроводящей тонкой плёнки на поверхности магнитного топологического изолятора в системах Nb(Te,Se)2/(BixSb1-x)2Te3, Nb(Se,Te)2/Mn(Bi,Sb)2Te4, Nb/Mn(Bi,Sb)2Te4 или, в качестве альтернативы, Fe(Se,Te)/Mn(Sb,Bi)2Te4.

Выполнены систематические исследования структуры, электронных свойств и реакционной способности кристаллов полупроводниковых халькогенидных кристаллов, в том числе топологических изоляторов – Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3 и твердых растворов на их основе, комплексом уникальных методов, включая in situ РФЭС высокого давления, ФЭСУР со спиновым разрешением, ПЭМ ВР, ФЭД и ФЭГ, а также квантово-химическое моделирование с привлечением суперкомпьютеров. Установлены закономерности в изменении реакционной способности в рядах халькогенидов при варьировании катионов и анионов, а также в твёрдых растворах по мере изменения состава. Проведено детальное исследование доменной структуры, структуры поверхности и электронных свойств кристаллов GeTe. Проведено исследование взаимодействия ферромагнетиков с топологическим изолятором на примере гетерограниц Fe,Co,Ni/Bi2(Te,Se)3 методами ПЭМ ВР, СТМ, ФЭД, ФЭГ, XPS, ФЭСУР, а также квантово-химическим расчетом, что позволило охарактеризовать атомную структуру и электронные свойства гетерограницы, определить протекающие на границе раздела реакции, реконструировать структуру поверхности, установить влияние Fe на электронную структуру топологического изолятора. Метод XMCD показал, что адатомы Fe на Bi2Se3 обладают магнитной анизотропией. Разработан новый метод выращивания кристаллов из трехфазного источника для выращивания кристаллов ((Bi,Sb)2xZyTe3x+y (Z=Mn,Ge,Sn,Pb)). Исследован магнитный эффект близости «топологический изолятор – магнитно-упорядоченная система» на примере системы Co/(Bi0,92Mn0,08)2Se3. Исследование магнитной структуры интерфейсов методами XMCD, рентгеновского резонансного магнитного рассеяния и СКВИД-магнитометрии помогли определить природу намагниченности (Bi0,92Mn0,08)2Se3 и влияние на поверхностные состояния. Членами коллектива авторов наблюдался двойной критический ток в джозефсоновских переходах в структурах Nb/BiSbSe2Te/Nb в изготовленном планарном сверхпроводящем квантовом интерференционном устройстве.