Физики обнаружили встроенное электрическое поле в топологических изоляторах

Ученые Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, работавшие в составе большой международной команды, обнаружили, что на поверхности слоистых топологических изоляторов GeBi₄Te₇ и MnBi₄Te₇ возникает встроенное электрическое поле — следствие перераспределения заряда между разными слоями кристалла из-за атомных дефектов.

Топологические изоляторы — один из самых интригующих классов материалов, открытых за последние десятилетия. Внутри они не проводят ток, как и положено изолятору, зато по их поверхности бежит особый «топологический» металлический ток. Электроны в этих состояниях ведут себя как безмассовые релятивистские частицы и потенциально могут использоваться в приборах будущего — в топотронике, спинтронике и квантовых вычислениях.

Объектами работы стали слоистые кристаллы GeBi₄Te₇ и MnBi₄Te₇, собранные из чередующихся блоков двух сортов: пятислойных (QL, типа Bi₂Te₃) и семислойных (SL, типа GeBi₂Te₄), скрепленных слабыми вандерваальсовыми связями. При раскалывании такого кристалла наружу может выйти либо QL-, либо SL-блок. Оказалось, что от того, какой именно блок оказался сверху, зависят электронные свойства поверхности.

Авторы использовали комплекс современных методов (фотоэлектронную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES), а также сканирующую туннельную микроскопию и спектроскопию (СТМ/СТС)), чтобы разобраться, чем именно различаются два типа поверхности и что за этим стоит.

В семислойных блоках (SL) атомы германия и висмута часто меняются местами — возникают так называемые антиструктурные дефекты, и такие блоки становятся донорами, отдающими лишние электроны. Пятислойные блоки, напротив, ведут себя как акцепторы. Чтобы система пришла в равновесие, заряд перетекает между блоками. Так возникает встроенное поле. Из-за того, что поле возникает между разными слоями, свойства поверхности сильно зависят от того, каким именно слоем (QL или SL) кристалл раскололся. Сдвиг энергии может достигать 160 мэВ.

«Мы привыкли считать поверхность топологического изолятора однородной. Но оказалось, что у одного и того же кристалла разные участки поверхности — там, где наружу выходят разные слои, заметно отличаются по электронным свойствам. Причина — крошечные атомные дефекты, из-за которых заряд перетекает между слоями и создает внутри кристалла встроенное поле. И, что особенно ценно, этим сдвигом можно управлять, меняя дефектность при росте кристалла», — рассказал один из авторов исследования, заведующий лабораторией фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ Александр Фролов.

Воспроизвести в расчетах наблюдаемый сдвиг на 160 мэВ удалось только тогда, когда в модель заложили реальный состав кристалла с дефектами, а не идеальную форму. Чтобы проверить, не единичный ли это случай, команда исследовала и магнитный топологический изолятор MnBi₄Te₇ — и обнаружила то же самое: разные поверхности различаются работой выхода, а внутри прячется встроенное поле.

«Важно, что это не особенность одного соединения. Тот же эффект мы увидели в магнитном MnBi₄Te₇, и есть все основания считать его общим для целого семейства слоистых материалов. По сути, граница между двумя типами слоев работает как встроенный p–n переход. Понимание этого механизма дает принцип проектирования низкоразмерных гетероструктур», — добавила ведущий научный сотрудник лаборатории фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ Лада Яшина.

Авторы рассматривают обнаруженный механизм как общий принцип для целого класса слоистых материалов, который необходимо учитывать при проектировании поверхностей и интерфейсов с заданными электронными свойствами, особенно там, где важно управлять положением топологических поверхностных состояний, работой выхода и локальным потенциалом.

«Главный результат этой работы в том, что мы увидели в топологическом изоляторе не просто разные типы поверхности, а естественно сформированную наномасштабную гетероструктуру с собственным электрическим полем. Обычно атомные дефекты воспринимаются как помеха, но здесь они становятся инструментом управления: меняя состав и дефектность слоев при росте кристалла, можно сдвигать топологические поверхностные состояния и настраивать электронный транспорт. Это дает новый принцип проектирования материалов для топотроники, спинтроники и будущих квантовых устройств, когда нужный потенциал создается самой кристаллической структурой», — отметил еще один из авторов работы, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров.

Кроме научных сотрудников МФТИ в работе принимали участие их коллеги из МГУ им. М. В. Ломоносова, Сколтеха, ВШЭ, Санкт-Петербургского государственного университета, Международного физического центра Доностии (Испания), Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (Германия), ELETTRA (Италия), Кольского научного центра РАН, Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, Синхротронного источника излучения СКИФ Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Центра квантовой физики Пекинского технологического института (Китай).

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России и Российского научного фонда.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации