​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).

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.

Источники

Nature написал об историческом открытии с участием физиков ТГУ
Томский государственный университет (tsu.ru), 23/12/2019

Похожие новости

  • 24/12/2020

    Алексей Гоголев: «Мы сумели выполнить все обязательства и не снизить планку»

    И.о. руководителя Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ рассказал о достижениях коллектива школы в 2020 году, планах и задачах на следующий год.  2020 год в силу понятных причин стал для нас крайне непростым, но мы достойно выдержали удар, сумев выполнить все обязательства по грантам, программам, не допустить снижения основных индикаторов исследовательской деятельности.
    1134
  • 18/03/2021

    Учёные расширят перечень пригодных для 3D-печати материалов

    Ученые Томского государственного университета и ИФПМ СО РАН предложили новый способ 3D-принтинга, который позволяет использовать ранее недоступные для этого материалы: металлы, металлокерамику и даже высокоэнергетические материалы.
    954
  • 26/03/2021

    ТГУ представил на совещании «Аэронет» разработки для сверхлегких ракет

    В Томском государственном университете проходит рабочее совещание Национальной технологической инициативы «Аэронет», посвященное ракетным топливам для ракет-носителей сверхлегкого класса и уникальным материаловедческим решениям для космического машиностроения.
    790
  • 27/07/2021

    Физики ТПУ установили новые алмазные детекторы для эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере

    ​На одном из крупнейших детекторов Большого адронного коллайдера — CMS — на днях прошла замена системы мониторинга радиационного фона и параметров сталкивающихся пучков. Одна из важных частей системы — система аварийного сброса пучка BCML, необходимая для защиты отдельных узлов CMS и их электроники от критических радиационных повреждений.
    699
  • 29/06/2018

    Как ученые ТПУ помогают искать жизнь во Вселенной

    ​Исследование межзвездной среды, поиск экзопланет, изучение Солнечной системы - все это происходит в основном в лабораториях, где обрабатываются данные с межпланетных космических станций или мощных телескопов.
    1302
  • 06/07/2021

    ТГУ разрабатывает концепцию НЦМУ по государственной безопасности

    В рамках экспертного форума U-NOVUS 2021 при координации Томского государственного университета прошло обсуждение перспектив создания Центра развития науки, технологий и образования в области обеспечения безопасности государства.
    1076
  • 02/11/2020

    Физики ТГУ и СО РАН создадут материалы, выдерживающие 2 тыс градусов

    ​​Физики Томского госуниверситета (ТГУ) и Института физики прочности и материаловедения (ИФПМ) ТНЦ СО РАН будут разрабатывать для авиа- и судостроения жаропрочные сплавы и покрытия, выдерживающие от 2 тысяч градусов Цельсия; первые испытания запланированы на лето 2021 года, сообщил РИА Томск заведующий лабораторией нанотехнологий металлургии вуза Илья Жуков.
    520
  • 07/02/2020

    Ученые ТПУ изучат, как условия космоса влияют на новый модуль МКС

    ​Проект «Исследование воздействия динамических нагрузок на корпусные элементы модуля российского сегмента Международной космической станции с использованием многоуровневого динамического моделирования» вошел в Долгосрочную программу экспериментов на МКС.
    663
  • 01/04/2021

    В Томске прошли первые испытания навигатора для дронов, ищущих полезные ископаемые

     Специалисты Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) успешно провели первые испытания системы навигации для беспилотных летательных аппаратов, которая позволит создавать дроны для поиска полезных ископаемых, в частности, алмазов и железной руды.
    501
  • 18/05/2021

    Микротомограф для новейших космических материалов создадут в ТПУ

    Специалисты Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности Томского политеха разработают рентгеновский микротомограф для проверки качества и исследования внутренней структуры новейших отечественных материалов для использования в космосе.
    318