Физики изучили магнитные примеси в топологических изоляторах — Naked Science
9 минут
ФизТех

Физики изучили магнитные примеси в топологических изоляторах

Ученые приблизились к применению топологических изоляторов — материалов с уникальными электрическими свойствами, которые еще недавно считались лишь гипотетическими объектами.

Топологический изолятор
Топологический изолятор

Физики из МФТИ и Института теоретической физики им. Ландау РАН сделали еще один шаг на пути к применению топологических изоляторов. Удалось выяснить, как в подобных материалах устроено взаимодействие между атомами магнитных примесей.

Топологические изоляторы — это открытие физики XXI века. Изначально они были предсказаны теоретически и только потом открыты экспериментально. Внутри они ведут себя как полупроводники, а на поверхности (у границы) их свойства похожи на свойства металла — например, по поверхности подобного материала свободно протекает электрический ток. Сейчас этот новый класс материалов активно изучают по всему миру, включая МФТИ. Ожидается, что их необычные свойства будут востребованы при создании электронных схем с минимальными потерями на тепло, квантовых компьютеров и других перспективных устройств.

Однако, чтобы создавать полезные устройства на основе топологических изоляторов, необходимо понимать, как на их свойства влияют различные несовершенства их структуры: в частности присутствие атомов с ненулевым магнитным моментом. Напомним, что магнитный момент характеризует величину магнитного поля, которое может создавать атом.

То, как такие атомы (допустим, атомы железа или марганца) взаимодействуют между собой, давно исследовалось в разных материалах. В металлах их взаимодействие называется «взаимодействием Рудермана — Киттеля — Касуи — Йосиды» в честь теоретиков, впервые изучивших его еще в середине 1950-х годов.

В полупроводниках взаимодействие магнитных атомов носит название «косвенного обменного взаимодействия», и его впервые теоретически исследовали Бломберген и Роуланд в 1955 году. Большой вклад в изучение косвенного обменного взаимодействия внес также Алексей Абрикосов — советско-американский физик, нобелевский лауреат, занимавшийся фундаментальными вопросами физики твердого тела. Знание косвенного обменного взаимодействия — энергии связи между магнитными атомами, ее зависимости от расстояния между ними и температуры — позволяет предсказывать то, как будут упорядочиваться магнитные моменты этих атомов при низких температурах в данном веществе.

В новой статье, которая была опубликована в журнале Physical Review B, ученые рассмотрели взаимодействие атомов с ненулевым магнитным моментом в том случае, когда они расположены недалеко от границы двумерного топологического изолятора. Игорь Бурмистров (сотрудник ИТФ им. Л. Д. Ландау РАН и лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ) вместе со студентами пятого курса кафедры теоретической физики факультета общей и прикладной физики МФТИ Павлом и Владиславом Куриловичами изучал косвенное обменное взаимодействие между атомами марганца в двумерном топологическом изоляторе на основе квантовой ямы CdTe/HgTe/CdTe.

Фраза «на основе квантовой ямы» означает, что между пленками теллурида кадмия, CdTe, имеется тонкая полоса из теллурида ртути, HgTe. Квантовые характеристики этих веществ разные, поэтому электроны внутри полосы из теллурида ртути не могут свободно перейти за ее границы, они как бы находятся на дне «ямы-ловушки», преодолеть «стенки» которой можно лишь при наличии определенной энергии.

По словам Игоря Бурмистрова, специфика задачи «состояла в том, что, в зависимости от расположения магнитных атомов, в топологическом изоляторе они взаимодействуют, как в металле (если оба магнитных атома находятся у границы) или как в полупроводнике (если оба магнитных атома находятся вдали от границы)».

Рассказал исследователь и о специфике двумерного топологического изолятора: «В двумерных топологических изоляторах движение квазичастиц происходит в плоскости, что связано с большой величиной энергии размерного квантования в квантовой яме». Квантование – эффект, при котором какая-либо система может иметь энергию только с определенными значениями, а размерное квантование — это то, что наблюдается при ограничении размеров системы. В очень тонких слоях или полосках вещества частицы ведут себя иначе, чем в «классических» образцах вроде куска медного провода или полупроводникового кристалла.

Итоговый результат теоретического анализа — предсказание нового типа косвенного обменного взаимодействия между магнитными атомами в двумерном топологическом изоляторе. С одной стороны, оно напоминает аналогичное взаимодействие в металлах, а с другой — типичную для полупроводников картину. Такое необычное сочетание является определяющим для взаимодействия пар магнитных атомов, один из которых находится вблизи границы, а другой — вдали от нее. Прямого практического применения полученные результаты не имеют, но они важны для дальнейшего исследования влияния магнитных атомов на распространение электрического тока вдоль границы двумерного топологического изолятора.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
213 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
9 часов назад
10 минут
Василий Парфенов

Американские исследователи проанализировали данные опросов молодежи в возрасте от 18 до 23 лет с 2007 по 2017 год и обнаружили несколько факторов, коррелирующих с общей тенденцией к снижению популярности случайного секса, то есть нерегулярных половых связей вне постоянных романтических отношений. Среди наиболее заметных — возросшая вовлеченность в компьютерные игры, жизнь под одной крышей с родителями и меньшее употребление алкоголя.

Вчера, 22:30
9 минут
Мария Азарова

По словам главы компании «Космокурс», пока США уже на прямом пути к туристическим полетам в космос, Россия находится в этом вопросе «на уровне папуасов», главным образом — из-за бюрократии.

Вчера, 18:07
8 минут
Василий Парфенов

В калифорнийском городе Стоктон подвели итоги почти двухлетнего эксперимента по предоставлению уязвимым группам населения безусловного базового дохода в размере 500 долларов в месяц. Вопреки скептицизму критиков, проект обернулся отличным примером пользы подобной поддержки граждан: трудовая занятость на постоянной основе среди получателей платежей выросла на 12% только за первый год, а число безработных снизилось на треть (в контрольной группе — увеличилось на 1%).

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

2 марта
42 минуты
Редакция

Все знают, что нефть — это углеводороды. Но из чего она образовалась? Правда ли, что из динозавров? И сколько миллионов лет нефти, из которой сегодня делают бензин и сотни других важных окружающих нас вещей? Разбираемся, какие запасы нефти залегают в России и сколько их осталось, почему их до сих пор не добыли, а также, как это связано с существами, которые жили миллионы лет назад.

26 февраля
8 минут
Мария Азарова

Математическое моделирование позволило подсчитать, что большинство случаев тяжелого течения коронавирусного заболевания и госпитализаций по этой причине в США оказались связаны с одним из четырех кардиометаболических нарушений, а главным образом — с ожирением.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: