Международная группа ученых, куда вошли физики СПбГУ, открыла новый класс материалов, которые являются одновременно антиферромагнетиками и топологическими изоляторами. Синтезированный исследователями монокристалл MnBi₂Te₄ может найти применение в создании супербыстрых элементов памяти, устройств спинтроники, квантовых компьютеров и даже детектора темной материи.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Ученые из лаборатории электронной и спиновой структуры наносистем СПбГУ, которой руководит профессор Университета Страны Басков Евгений Чулков, отмечают, что работали над этим результатом несколько лет. Сначала существование монокристаллов с необычными свойствами было предсказано теоретически, затем их удалось синтезировать в лабораторных условиях — в Техническом университете Дрездена и Азербайджанском государственном университете нефти и промышленности. В соответствии с предсказаниями оказалось, что новый материал одновременно сочетает в себе свойства антиферромагнетика и топологического изолятора.

Хорошо известно, что ферромагнетики — это материалы, в которых магнитные моменты всех атомов сонаправлены, они создают макроскопическое магнитное поле в материале. Из них, например, сделаны жесткие диски компьютеров. А вот в антиферромагнетиках все иначе: там магнитные моменты атомов противонаправлены, поэтому они не создают внешнего магнитного поля, которое, кстати, негативно влияет на элементы электроники.

Возможно, именно из антиферромагнетиков в будущем будут делать запоминающие устройства: в отличие от ферромагнетиков такие устройства памяти можно ставить сколь угодно близко и плотно, а также сколь угодно много рядом друг с другом, увеличивая мощность компьютера. К тому же резонансная частота у антиферромагнетиков не гигагерцовая, а терагерцовая — значит, устройства на их основе будут работать в 1000 раз быстрее, чем классические.

Кстати, прототип элемента антиферромагнитной памяти на основе нового материала MnBi₂Te₄ был недавно предложен в одной из научных работ.

С другой стороны, монокристалл еще является топологическим изолятором — особенным материалом, электроны на поверхности которого ведут себя принципиально иначе, чем электроны внутри монокристалла: снаружи это очень тонкий проводящий слой, а внутри — полупроводник. Именно эти уникальные поверхностные электроны, формирующие так называемый конус Дирака, и были измерены в лаборатории СПбГУ.

Что важно, даже если поверхность материала разрушается, он не теряет свои свойства и остается топологически защищенным. Это свойство может пригодиться при разработке квантовых компьютеров: сегодня одна из главных проблем в создании таких вычислительных машин связана с тем, что кубит — единица хранения информации — подвержен декогеренции, то есть по законам квантового мира со временем разрушается. Но если сделать кубит на основе топологического изолятора, теоретически этой проблемы можно будет избежать.

«Данный монокристалл еще интересен тем, что он открывает для исследователей целый класс новых материалов, — рассказал заместитель руководителя лаборатории профессор Александр Шикин. — Если слои, которые связаны антиферромагнитно, разделить слоями топологического изолятора, мы сможем создавать уникальные магнитные характеристики материала с постепенным переходом от антиферромагнетизма к двумерному ферромагнетизму. Это абсолютно новая система с новыми свойствами, которые, по большому счету, даже пока не открыты».

Кстати, физикам уже удалось наблюдать в этих монокристаллах квантовый аномальный эффект Холла. В физике твердого тела классический эффект Холла заключается в том, что если к материалу, помещенному в магнитное поле, приложить внешнее напряжение, то появляется ток, перпендикулярный этому напряжению. Его используют, например, в магнитометрах смартфонов и в системах электронного зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Также существует квантовый эффект Холла, однако именно квантовый аномальный эффект Холла ранее никогда не наблюдали в системах, где магнитный слой точно упорядочен, как в монокристалле MnBi₂Te₄. Так как в данном случае эффект возможен без приложения внешнего магнитного поля, то новый материал становится очень перспективным для создания самых разных электронных устройств. Например, в еще одной научной работе уже предложена модель топологического спинового транзистора на основе материала MnBi₂Te₄.

Кроме того, отмечают исследователи, полученный монокристалл может дать толчок в развитии физики элементарных частиц: есть надежда, что топологические изоляторы помогут экспериментально обнаружить фермионы Майораны — особые частицы, которые являются одновременно античастицами. Они были гипотетически предсказаны еще в 1930-х годах итальянским физиком Этторе Майораной, однако до сих пор не были обнаружены. Согласно теоретическим работам, майорановский фермион может существовать как квазичастица в топологических изоляторах. Кстати говоря, именно эта частица за счет своей топологической защищенности — отличный претендент на роль кубита в квантовом компьютере.

«Другой интересный пример — есть теоретическая работа, которая говорит о том, что на основе нашего материала можно сделать детектор темной материи, — рассказал ассистент лаборатории кандидат физико-математических наук Илья Климовских. — Так как это магнитный топологический изолятор, то в нем возможна реализация фазы аксионного изолятора, на основе которого можно реализовать детектор темной материи с определенным диапазоном, который пока еще не существует. Это очень неожиданно, но такие работы могут появляться, потому что свойства у материала совершенно новые и уникальные».

В Санкт-Петербургском государственном университете ученые проводили измерения магнитных характеристик нового монокристалла, а также его фотоэлектронных спектров: помогло оборудование ресурсных центров Научного парка СПбГУ — «Физические методы исследования поверхности» и «Центр диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники». Интересно, что предварительный вариант научной статьи (препринт), который появился в открытом доступе еще до публикации, был процитирован более 60 раз. Всего в научную коллаборацию под руководством профессора СПбГУ Евгения Чулкова вошли 22 исследовательские организации со всего мира.

«Такое количество организаций, участвующих в одной публикации в области конденсированной материи, может показаться необычным. Однако для эффективного решения сложных проблем в современной науке о твердом теле требуются объединенные усилия различных высокопрофессиональных коллективов, которые включают в себя теоретиков, химиков, физиков и материаловедов. Эта тенденция будет только усиливаться в обозримом будущем», — отметил Евгений Чулков.

Исследование поддержано грантами Санкт-Петербургского государственного университета (ID 40990069), Российского научного фонда (№ 18–12–00062), Российского фонда фундаментальных исследований (№ 18–52–06009), а также грантами других научных организаций.