2013: Топологические изоляторы: На пути к созданию магнитного монополя

Физики МГУ в международной коллаборации построили магнитную фазовую диаграмму топологического изолятора и экспериментально подтвердили ее, продемонстрировав таким образом управляемые магнитным полем фазовые переходы с использованием допированных магнитных ионов в топологических изоляторах.

Топологический изолятор – это диэлектрик, на поверхности которого возникает металлическое состояние. Проводящие свойства поверхности являются следствием сильного спин-орбитального взаимодействия, которое приводит к возникновению спин-расщепленных топологических поверхностных состояний с дисперсией так называемого дираковского типа, то есть линейной зависимостью энергии от импульса. Обычно зависимость энергии E от импульса p характеризуется квадратичным законом E=p²/2m. Поверхностные состояния защищены симметрией обращения времени от рассеяния на дефектах, то есть электроны в этих состояниях могут двигаться вдоль поверхности объемного материала почти без потери энергии. В обычных материалах даже малые возмущения (неровности рельефа поверхности или примеси) приводят к образованию запрещенной зоны для поверхностных состояний, и поверхность перестает быть проводящей, поскольку уровень Ферми оказывается в запрещенной зоне. В топологических изоляторах поверхностные состояния гораздо более устойчивы, поскольку описывающий их гамильтониан инвариантен по отношению к малым возмущениям. Электроны ведут себя как безмассовые частицы и характеризуются линейной зависимостью энергии от импульса: E=hkv_F, где v_F – фермиевская скорость электронов.

Таким образом, в объеме материал имеет запрещенную зону и не проводит при низких температурах если нет легирования, а на поверхности имеются состояния, обеспечивающие поверхностную проводимость. Первыми экспериментально открытыми топологическими изоляторами стали сплавы Bi_1-xSb_x в полупроводниковой области. Такие же поверхностные состояния были открыты в теллуридах и селенидах висмута и сурьмы: Bi₂Se₃, Bi₂Te₃, Sb₂Te₃. Поверхностные состояния внутри объемной запрещенной зоны с линейным законом дисперсии как в графене легко наблюдаются с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) (для Bi2Se3 – J.E. Moore, Nature 464, 2010).

Спины электронов на дираковском конусе связаны с их импульсом, как показано на рис. 1b. Если удастся открыть щель для поверхностных электронов, то возможно получить необычные магнитные свойства материала, например магнитный монополь. Основная проблема в теллуридах и селенидах висмута и сурьмы – большая объемная концентрация электронов или дырок, что полностью маскирует поверхностную проводимость. Легирование этих материалов – один из путей решения проблемы. А легирование магнитной примесью позволяет не только изменять концентрацию носителей тока в объеме, но и изменять магнитные свойства. При этом возможно открытие щели в дираковском спектре.

В работе PRL 110, 136601 (2013) физиками МГУ совместно с рядом зарубежных лабораторий была выращена и исследована серия образцов монокристаллов теллурида висмута с последовательным увеличением концентрации железа. Наблюдалось изменение магнитного взаимодействия от ферромагнитного к антиферромагнитному с парамагнитным поведением для топологического изолятора. Построена магнитная фазовая диаграмма топологического изолятора. Показано, что объемное легирование магнитной примесью очень эффективно для получения топологического изолятора с Ферми энергией внутри запрещенной зоны объемного материала. Наблюдено экспериментально открытие щели в дираковском спектре для Fe_0.025Bi₂Te₃. Работа важна для понимания магнитных свойств топологических изоляторов, показывает как экспериментально открыть щель в таких материалах, что является путем к созданию магнитного монополя.