Материалы для устройств будущего разработали в СПбГУ

Физики СПбГУ смогли модифицировать магнитный топологический изолятор с формулой MnBi₂Te₄, благодаря чему улучшили его качество и снизили количество дефектов в структуре. Усовершенствованный материал можно использовать в квантовых компьютерах, а также создавать на его основе устройства спинтроники, которые в будущем заменят электронные компоненты на основе кремния. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в Physical Review Research.

Магнитными топологическими изоляторами ученые во всем мире интересуются давно. Это материалы с уникальной двойственностью: внутри (в объеме) они ведут себя как изоляторы, то есть не проводят ток, а снаружи (на поверхности) — как электропроводники.

«У этих материалов много особенностей. Например, за счет управления внутренним магнетизмом можно менять их свойства. Кроме того, все электроны, движущиеся вдоль края магнитного топологического изолятора, имеют строго определенную ориентацию спина (направление движения электрона. — Прим. ред.), что не дает им рассеиваться на участках с дефектами. То есть электропроводность материала не меняется даже при наличии в нем мелких повреждений», — отметил Дмитрий Естюнин, старший научный сотрудник СПбГУ (лаборатория электронной и спиновой структуры наносистем), ассистент кафедры электроники твердого тела СПбГУ.

Также благодаря определенной ориентации спинов электронов, движущихся по краю, спиновые токи оказываются разделены. За счет этого магнитные топологические изоляторы подходят для устройств спинтроники. В таких приборах перенос информации осуществляется не зарядом электрона, как в классических электронных схемах, а его спином. Этот механизм позволяет повысить скорость и плотность передачи данных, а также снизить энергопотребление и размеры устройств. Считается, что в будущем спинтроника заменит кремниевую электронику.

Вместе с коллегами из университета Дмитрий Естюнин изучает возможности магнитных топологических изоляторов, в частности структуры с формулой MnBi₂Te₄. Она была открыта именно в СПбГУ, и сегодня ученые работают над оптимизацией характеристик этого материала и созданием элементов на его основе для использования в устройствах спинтроники.

Недавно физикам университета удалось заместить в кристаллической решетке MnBi₂Te₄ марганец (Mn) на свинец (Pb), за счет чего получилось повысить качество материала, а также уменьшить количество дефектов. Помимо свинца ученые СПбГУ добавляли в MnBi₂Te₄ другие элементы IV группы Периодической системы — германий (Ge) и олово (Sn). Эти примеси позволили изменить магнитные характеристики и повлиять на величину запрещенной зоны, от которой зависит электропроводность.

По словам Дмитрия Естюнина, сегодня исследователи продолжают экспериментировать с MnBi₂Te₄. В частности, с размером его запрещенной зоны. Они хотят сделать ее меньше, чтобы еще больше увеличить электропроводность всей структуры. Также физики изучают, как можно управлять магнитными свойствами материала, чтобы настраивать его под определенные задачи, в том числе для работы в устройствах спинтроники.

Параллельно исследователи развивают еще два направления. Одно из них — метод синтеза объемных кристаллов магнитных топологических изоляторов, который позволит в лабораторных условиях создавать их для научных исследований. В рамках второго направления ученые осваивают способ молекулярно-лучевой эпитаксии для выращивания тонких пленок MnBi₂Te₄ и родственных ему соединений уже для масштабного производства.

Также дополнительно ученые ведут поиск технических решений, необходимых для создания прототипа спинового фильтра, нужного для избирательного пропускания или блокировки спинов электронов. В частности, физики разрабатывают методики нанесения дополнительных функциональных слоев на поверхность топологического изолятора с сохранением его упорядоченной структуры и электронных свойств.

Как рассказал Дмитрий Естюнин, магнитные топологические изоляторы востребованы не только в спинтронике, но и в квантовых технологиях. Так, на основе структур «топологический изолятор — сверхпроводник» с использованием фермионов Майораны (частиц, которые являются собственными античастицами. — Прим. ред.) можно создавать защищенные кубиты — потенциально более стабильные элементы квантового компьютера.

«Некоторые топологические изоляторы, например материалы семейства Bi₂Te₃, имеют хорошие термоэлектрические свойства, за счет чего они способны преобразовывать тепловую энергию в электрическую и наоборот. Это делает их привлекательными для применения в автономных источниках питания. Сегодня названные структуры уже используются в устройствах для перевода тепловой энергии в электрическую», — отметил Дмитрий Естюнин.

По его словам, магнитные топологические изоляторы могут использоваться еще и в метрологии — в качестве новых эталонов для измерения сопротивления тока. Особенно в условиях, где важно исключить влияние внешних магнитных полей и получить данные с очень высокой точностью.

Ученые СПбГУ в рамках работы по изменению свойств магнитного топологического изолятора MnBi₂Te₄ использовали оборудование ресурсных центров Научного парка университета, в частности Центра диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники, центров «Нанотехнологии» и «Физические методы исследования поверхности».

Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ