Тема: Поиск материалов с топологически нетривиальными фазами

На сегодняшний день наблюдается настоящий бум в исследованиях топологически нетривиальных материалов, таких как топологические изоляторы (ТИ) [1 - 4], антиферромагнитные ТИ (АФМ ТИ) [5], графен, дираковские [6 - 8] и вейлевские полуметаллы. Так, ТИ представляют собой принципиально новые материалы, одновременно сочетающие в себе свойства полупроводника в объеме (внутри материала) и металла на поверхности (5-10 атомных слоев в глубину). При этом металлическая проводимость связана с наличием особых поверхностных состояний, имеющих линейную дисперсию и представляющих собой конические поверхности в пространстве волновых векторов (конусы Дирака). Электроны, находящиеся в данных состояниях, поляризованы по спину и защищены симметрией обращения времени от обратного рассеяния на дефектах, что способствует протеканию электрического тока практически без потерь энергии. Эти необычные свойства ТИ могут быть использованы для фотодетектирования, создания умножителей частоты, магнитной памяти, а также других приборов. Кроме того, недавно был предсказан принципиально новый класс материалов - АФМ ТИ, который сочетает свойства ТИ и нарушенную симметрию обращения времени. Несмотря на перспективу использования таких материалов для спинтронки, на данный момент существует лишь несколько посвященных этим материалам работ, выполненных в рамках модельных методов. На данный момент предложен [9] лишь один пример такого материала без детального исследования особенностей топологического состояния.
Другим не менее интересным материалом является графен (монослой углерода), в котором также наблюдаются аналогичные состояния с линейной дисперсией с тем лишь отличием, что они являются двукратно вырожденными (не являются спин-поляризованными). Данный материал активно исследуется в ввиду своих уникальных свойств: высокой проводимости и теплопроводности, прочности. Однако графен - двумерный материал, поэтому многие исследователи задались вопросом, возможно ли получить “трехмерный графен”, то есть объемный материал, в энергетическом спектре которого присутствуют состояния с линейной дисперсией. Не так давно такие материалы были открыты и названы дираковскими полуметаллами. Дираковский полуметалл является частным случаем более фундаментального топологически нетривиального состояния вещества - вейлевского полуметалла. Вейлевский полуметалл возможно получить, если нарушить симметрию обращения времени и/или кристаллическую инверсионную симметрию, что приведет к расщеплению двукратно вырожденного конуса Дирака на два спин-поляризованных. В отличие от ТИ, которые характеризуются наличием щели в объеме и бесщелевыми состояниями на поверхности, дираковские и вейлевские полуметаллы представляют собой топологическую бесщелевую фазу в объеме с бесщелевыми состояниями на поверхности. Фермионы Дирака и Вейля могут обеспечивать существование электронов с нулевой эффективной массой и очень высокой подвижностью, для которых не проявляется обратное рассеяние. Обратное рассеяние электронов обычно понижает эффективность электронных устройств, поэтому есть надежда, что электроны Дирака и Вейля могут сыграть важную роль в создании новой, более скоростной электроники. В таких материалах может возникать много необычных явлений, включая квантовый спиновый эффект Холла, гигантский диамагнетизм, кирально-магнитный эффект. Однако на данный момент такие материалы мало изучены. В частности, известно не так много материалов с фазой вейлевского полуметалла, мало изучено влияние беспорядка и других дефектов на свойства этих материалов.
Актуальность работы. Эффективное применение топологически нетривиальных материалов в спинтронике невозможно без детального исследования их электронной структуры. Проведение таких исследований позволит обнаружить новые топологически нетривиальные материалы и расширить элементную базу электроники нового поколения.
Основной целью работы является поиск и фундаментальное исследование топологически нетривиальных материалов, удовлетворяющих требованиям спинтроники. Для достижения поставленной цели будут решаться следующие задачи:
- исследование особенностей электронной структуры объема соединений AIIMg2Bi2 (Л11 = Ca, Sr, Ba);
- исследование влияния деформации (всестороннее сжатие, одноосное растяжение/сжатие) на электронную структуру AIIMg2Bi2 (Л11 = Ca, Sr, Ba);
- исследование кристаллической структуры MnBi2Te2Se2 с целью определения оптимальных параметров решетки и позиций атомов в элементарной ячейке;
- исследование магнитного упорядочения, магнитной анизотропии в системе MnBi2Te2Se2 ;
- исследование электронной структуры объема, поверхности и тонких пленок MnBi2Te2Se2 и их топологическая идентификация;
- исследование свойств гетероструктур MnBi2Te2 Se2 на основе Sb2Te2Se и PbBi2Te2S2.
Научная новизна работы заключается в том, что предложены новые материалы, обладающие топологически нетривиальной фазой как в основном состоянии, так и в условиях внешнего воздействия. Предложен новый представитель класса антиферромагнитных топологических изоляторов.
Методологическая и теоретическая основа исследования. Поскольку свойства топологически нетривиальных материалов и систем на их основе определяются особенностями их электронной структуры, то наиболее оптимальным методом исследования таких материалов является проведение первопринципных расчетов электронной структуры. Данное исследование проведено в рамках теории функционала электронной плотности псевдопотенциальным методом в программном пакете VASP [10, 11].
Практическая значимость работы. Изложенные результаты могут представлять интерес для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований, посвященных физике топологически нетривиальных материалов. Изложенные аналитические данные могут быть полезны для точного прогнозирования свойств новых топологически нетривиальных материалов, а также их отклика на внешнее воздействие.
Апробация результатов исследования. По результатам исследования в соавторстве со старшими коллегами опубликована статья в научном журнале “Письма в ЖЭТФ”, а также сделано два доклада на XV Российской научной студенческой конференции по физике твердого тела ФТТ-2016 (Томск, 17 - 20 мая 2016 г.) и на XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 25-28 апреля 2017 г.).
На защиту выносятся следующие положения:
1. Существует способ управления топологическими свойствами соединений AnMg2Bi2 (Л11 = Ca, Sr, Ba) путем их одноосного растяжения и сжатия, которое приводит к богатому спектру наблюдаемых топологически нетривиальных фаз;
2. MnBi2Te2Se2 является антиферромагнитным топологическим
изолятором.

Купить

В данной работе представлены результаты детального теоретического исследования электронной структуры систем AIIMg2Bi2 (A11 = Ca, Sr, Ba), а также MnBi2Te2Se2 и гетероструктур на его основе. Обнаружено, что эти системы обладают топологически нетривиальными фазами.
На основании полученных результатов были сделаны следующие выводы:
1. Существует способ управления топологическими свойствами соединений AIIMg2Bi2 (A11 = Ca, Sr, Ba) путем их одноосного растяжения или сжатия вдоль гексагональной оси с. Одноосное растяжение и сжатие AIIMg2Bi2 (An = Ca, Sr, Ba) приводит к образованию богатого спектра топологически нетривиальных фаз. В соединении CaMg2Bi2 реализуется цепочка фазовых переходов полупроводник - ТИ - топологический полуметалл, в соединении SrMg2Bi2 - полупроводник - дираковский полуметалл - ТИ - топологический полуметалл, а в BaMg2Bi2 - полупроводник - ТИ. В случае гидростатического давления в соединениях обнаружен переход полупроводник - полуметалл без изменения топологических свойств.
2. Соединение MnBi2Te2Se2 является антиферромагнитным
топологическим изолятором, обладающим магнитной анизотропией типа легкая плоскость с индексами (0001). Такой тип магнитной анизотропии приводит к смещению точки Дирака в зонном спектре поверхности MnBi2Te2Se2 из точки Г. Поверхностные бесщелевые состояния MnBi2Te2Se2 обладают большей по сравнению с обычными ТИ глубиной проникновения, что может привести к увеличению толщины проводящего слоя.
3. Нанесение тонкой пленки MnBi2Te2Se2 на поверхность PbBi2Te2S2 приводит к существенному снижению анизотропии в зонном спектре, а также снижению группой скорости электронов вблизи уровня Ферми, что приводит к существенному повышению плотности носителей заряда.
Исследование выполнено при поддержке проекта в рамках программы повышения конкурентоспособности ТГУ № 8.1.01.2017, а также гранта Санкт-Петербургского Государственного Университета № 15.61.202.2015.
Расчеты выполнены с использованием ресурсов вычислительных кластеров SKIF Cyberia Томского Государственного Университета и РЦ ВЦ Санкт-Петербургского Государственного Университета.

Купить