"Лаборатория электронной и спиновой структуры наносистем" под руководством ведущего ученого Е.В. Чулкова: 2020 г. этап 6

Project

Project Details

Description

Лаборатория электронной и спиновой структуры наносистем под руководством д.ф.-м.н. Е.В. Чулкова (профессор Университета Страны Басков, Испания) создана в 2015 году в рамках финансирования деятельности исследовательских лабораторий под руководством ведущих ученых за счет средств СПбГУ.
Основной целью лаборатории является предсказание, создание и детальное изучение новых квантовых материалов – топологических изоляторов, графена, Рашба систем с целью их дальнейшего применения в спинтронике, наноэлектронике и квантовых вычислениях. Совместное использование теоретических и экспериментальных методов позволяет создавать наносистемы с необходимыми свойствами для конструирования приборов спинтроники и квантовых компьютеров.
Направления исследований лаборатории:
1. Экспериментальное и теоретическое исследование особенностей электронной и спиновой структуры систем с Дираковским конусом электронных состояний на основе топологических изоляторов, различного типа и стехиометрии, с топологически защищенными поверхностными состояниями, а также графена, синтезированного на поверхности металлов с высоким спин-орбитальным взаимодействием.
2. Экспериментальные исследования возможности управления электронной структурой немагнитных соединений BiTeX (X=I, Br, Cl) с гигантским спиновым расщеплением Рашбы, а также изучение их фазового перехода в состояние топологического изолятора.
3. Изучение возможности и методов функционализации графена, позволяющих придать графену новые необходимые функциональные свойства с целью эффективного использования в электронных устройствах. Для создания устройств спинтроники на основе графена решается проблема инжекции спин-поляризованных токов между графеном и ферромагнитным контактом и последующего эффективного транспорта спиновых токов в графене.
4. Синтез и изучение гибридных наноструктур, состоящих из слоев топологических изоляторов в комбинации со слоями графена, перспективных для использования в спинтронике.

Key findings for the stage (in detail)

В рамках работ по проекту в 2020 году можно выделить следующие наиболее важные результаты:
1. Теоретическое и экспериментальное исследование электронной структуры GeSb2Te4.
В рамках проекта была исследована объёмная и поверхностная электронная структура GeSb2Te4 методом фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением, а также при использовании первопринципных расчётов в рамках теории функционала плотности и приближения сильной связи. Рассчитанный топологический Z2 инвариант объёмного GeSb2Te4 равен единице, что свидетельствует о топологически нетривиальном характере электронной структуры. Это проявляется в наличии одиночного конуса Дирака в центре двумерной зоны Бриллюэна. Отметим, что точка Дирака данного конуса лежит в крайне узкой объемной запрещенной зоне шириной порядка 4 meV. При этом в целом соединение находится вблизи точки топологического перехода, которая соответствует фазе дираковского полуметалла.
Данное теоретическое исследование полностью подтверждается экспериментом, в рамках которого было обнаружено наличие зон с линейной дисперсией без заметной спиновой поляризации. Отметим, что была подтверждена стабильность топологической фазы, поскольку она является устойчивой к атомному беспорядку. При этом в случае разупорядоченной фазы величина запрещённой щели много больше (~100 meV). В целом, GeSb2Te4 может рассматриваться как трёхмерный аналог графена, что является причиной ранее обнаруженной высокой подвижности носителей заряда.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [1]: M. Nurmamat, K. Okamoto, S. Zhu, T. V. Menshchikova, I. P. Rusinov, V. O. Korostelev, K. Miyamoto, T. Okuda, T. Miyashita, X. Wang, Y. Ishida, K. Sumida, E. F. Schwier, M. Ye, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, I. R. Amiraslanov, E. V. Chulkov, K.A. Kokh, O. E. Tereshchenko, K. Shimada, Sh. Shin, and A. Kimura "Topologically Nontrivial Phase-Change Compound GeSb2Te4" ACS Nano 14, 7, pp. 9059–9065 (2020) Impact Factor = 14.588
2. Изготовление новой магнитной топологической гетероструктуры и температурная эволюция дираковского состояния.
Индуцирование намагниченности в топологических изоляторах посредством допирования магнитными элементами или за счёт эффекта магнитной близости может обеспечивать реализацию квантового аномального эффекта Холла и топологического магнитоэлектрического эффекта за счёт снятия вырождения в точке Дирака топологического состояния из-за нарушения симметрии обращения времени. Ранее нами было продемонстрировано создание упорядоченных гетероструктур магнитный изолятор/топологический изолятор за счёт самоорганизованного внедрения монослоя Mn внутрь селенида висмута, в результате чего формировались упорядоченные гетероструктуры MnBi2Se4/Bi2Se3 с намагниченностью на марганцевом слое перпендикулярной поверхности, что обеспечивало открытие дираковской щели ~80 мэВ. В дальнейшем теоретически были предсказаны гетероструктуры, в которых многослойные слои MnSe или MnTe встроены в самые верхние слои Bi2Se3 или Bi2Te3. Недавно удалось реализовать такие многослойные гетероструктуры экспериментально. Путем совместного осаждения Mn и Te на Bi2Te3 были получены поверхностные магнитные слои, которые представляют собой смесь гетероструктур MnBi2Te4/Bi2Te3 и Mn4Bi2Te7/Bi2Te3. В спектре таких структур при 16 К наблюдается массивное Дираковское состояние с щелью 40–75 мэВ, которая уменьшается при повышении температуры и при 200–250 К происходит резкий переход к безщелевому спектру. Наблюдаемая электронная структура была подтверждена первопринципными зонными расчётами.
Результаты данных исследований в рамках проекта опубликованы в статье [2]: T. Hirahara, M.M. Otrokov, T. Sasaki, K. Sumida, Y. Tomohiro, S. Kusaka, Y. Okuyama, S. Ichinokura, M. Kobayashi, Y. Takeda, K. Amemiya, T. Shirasawa, S. Ideta, K. Miyamoto, K. Tanaka, S. Kuroda, T. Okuda, K. Hono, S.V. Eremeev, and E.V. Chulkov "Fabrication of a novel magnetic topological heterostructure and temperature evolution of its massive Dirac cone" Nature Communications 11, Article number: 4821 (2020) Impact Factor = 12.121
3. Спиновый инжектор на основе BiTeBr, управляемый электрическим током.
Ферромагнитные материалы широко используются в качестве источников спин-поляризованных электронов в устройствах спинтроники, которые управляются внешними магнитными полями или с помощью эффектов передачи спинового крутящего момента. Однако с ростом спроса на меньшие и более быстрые компоненты спинтроники использование спин-орбитальных явлений представляет собой перспективный альтернативный подход. Необходим поиск новых материалов с уникальными спиновыми текстурами, которые позволят электрическое управление спиновой поляризацией, а также произвольной ориентацией поляризации без использования магнитного поля. Для достижения этой цели, в данной работе мы использовали новый спин-орбитальный кристалл BiTeBr. В этом кристалле из-за гигантского спинового расщепления Рашбы объемная спиновая поляризация создается электрическим током при комнатной температуре. Интегрируя кристалл BiTeBr в устройство спинового клапана на основе графена, мы впервые продемонстрировали работу BiTeBr в качестве спинового инжектора, управляемого током, что открывает новые возможности для реализации новых принципов спинтроники в интегральных схемах.
Детальное измерение спинового сигнала при различных направлениях тока смещения и напряжениях затвора доказывает устойчивость спиновой поляризации, которая согласуется с индуцированной током спиновой поляризацией из объемных спин-расщепленных состояний Рашбы в кристалле BiTeBr. Эти результаты доказывают, что спин-орбитальные кристаллы Рашбы являются новым перспективным строительным блоком для различных приложений спинтроники, поскольку они могут быть полностью электрически управляемым источником спиновой поляризации.Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [3]:Z. Kovács-Krausz, A. Md Hoque, P. Makk, B. Szentpéteri, M. Kocsis, B. Fülöp, M. V. Yakushev, T. V. Kuznetsova, O. E. Tereshchenko, K. A. Kokh, I. E. Lukács, T. Taniguchi, K. Watanabe, S. Prasad Dash, and S. Csonka "Electrically Controlled Spin Injection from Giant Rashba Spin–Orbit Conductor BiTeBr" Nano Letters 20 (7), 4782-4791 (2020) Impact Factor = 11.238
4. Обнаружение и исследование уникальной спиновой структуры поверхностных состояний антиферромагнетика TbRh2Si2.
C помощью спин-разрешенной фотоэмиссии, обнаружена и впервые экспериментально исследована необычная спиновая структура поверхностных состояний с тройным вращением спина при обходе вдоль контура постоянной энергии в образце антиферромагнетика TbRh2Si2, являющегося представителем широкого класса редкоземельных тройных соединений. Показано, что уникальная спиновая структура является достаточно устойчивой и сохраняется, когда устанавливается магнитный порядок с моментами Tb, перпендикулярными поверхности кристалла. На основе kp-модели доказано, что обнаруженное тройное вращение спина обусловлено кубическим эффектом Рашбы, величиной которого можно управлять путем выбора типа атома переходного металла. В сочетании с различной ориентацией и силой обменного поля вблизи поверхности это может создать множество других необычных спиновых структур. Принципиально важный вывод заключается в том, что относительно легкие атомы, такие как Rh, могут привести к формированию спиновой структуры, устойчивой в обменном поле, намного более сильном, чем спин-орбитальное поле.
Результаты данных исследований в рамках проекта опубликованы в статье [4]:D. Yu. Usachov, I. A. Nechaev, G. Poelchen, M. Güttler, E. E. Krasovskii, S. Schulz, A. Generalov, K. Kliemt, A. Kraiker, C.Krellner, K. Kummer, S. Danzenbächer, C. Laubschat, A. P. Weber, J. Sánchez-Barriga, E. V. Chulkov, A. F. Santander-Syro, T. Imai, K. Miyamoto, T. Okuda, and D. V. Vyalikh "Cubic Rashba Effect in the Surface Spin Structure of Rare-Earth Ternary Materials" Phys. Rev. Lett. 124, 237202 (2020) Impact Factor = 8.385
5. Изучено семейство стехиометрических магнитных топологических изоляторов вида (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m.
Открытие собственных (стехиометрических) магнитных топологических изоляторов привело к возможности реализации уникальных феноменов, таких как квантованный аномальный эффект Холла (КАЭХ) и магнитоэлектрический эффект, аксионная электродинамика и майорановские фермионы. Это характеризует данные материалы как высоко перспективные системы для применений в схемах наноэлектроники и в антиферромагнитной спинтроники, а также квантовых компьютерах. Первым таким материалом стал стехиометрический слоистый образец MnBi2Te4, являющийся первым антиферромагнитным топологическим изолятором, и представляющий собой набор магнитных семислойных блоков, разделенных ван-дер-Ваальсовым промежутком.
Семейство ван-дер-Ваальсовых магнитных упорядоченных топологических изоляторов можно расширить, введя общую стехиометрию вида (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m, где m-целое число. При m ≥ 1 кристалл (гетероструктура) формируется чередованием семислойного блока (MnBi2Te4) (SL) и m пятислойных блоков (Bi2Te3) (QL). Образцы были выращены в Азербайджанском государственном университете нефти и промышленности (Azerbaijan State Oil and Industry University) и исследования кристаллической структуры позволили определить стехиометрии MnBi4Te7 (m = 1), MnBi6Te10 (m = 2), MnBi8Te13 (m = 3) и MnBi10Te16 (m = 4). Для всех образцов были выявлены блочные структуры, такие как -5-7-5-7- и -5-5-7-5-5-7-, соответствующие m = 1 и m = 2. Согласно рентгенограммам, материалы MnBi4Te7 и MnBi6Te10 обладают пространственными группами вида Pm3m1 и R3m соответственно. Температурная зависимость удельного сопротивления, измеренная в нулевом магнитном поле, демонстрирует металлическое поведение как для MnBi4Te7, так и для MnBi6Te10. При низких температурах видны четко определенные изломы кривых при 13,2 К (MnBi4Te7) и 11,9 К (MnBi6Te10). По мере увеличения внешнего магнитного поля, эти особенности размываются, указывая на их магнитное происхождение.
Исследование температурной зависимости намагниченности при помощи СКВИД -магнитометра показало наличие магнитной фазы для данных материалов с температурой перехода порядка 10-13 К. Однако, хотя критические температуры близки для MnBi4Te7 (m = 1), MnBi6Te10 (m = 2), MnBi8Te13 (m = 3) и MnBi10Te16 (m = 4), магнитный порядок в этих соединений оказывается различным.
При увеличении числа m в соединениях (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m сила межслойного обменного взаимодействия, связывающего ферромагнитные слои Mn в соседних блоках, постепенно уменьшается, а его характер меняется от АФМ (m = 0, 1, 2) к ФМ (m = 3), а затем следует переход в двумерный магнитный режим, начиная с m = 4. В сочетании с нетривиальной топологией соединений эти магнитные состояния приводят к появлению фаз АФМТИ и ФМ ТИ для m = 0, 1,2 и m = 3 соответственно, в то время как для m = 4 образуется новая фаза магнитных ТИ, в которой намагниченность двухмерных 2D ФМ-упорядоченных слоев Mn в блоках MnBi2Te4 оказывается разупорядоченной вдоль [0001] направления. Экспериментальные данные по магнитной структуре хорошо согласуются с расчетами, демонстрирующими как внутрислоевой 2D ферромагнетизм, так и существенное уменьшение межслоевого обменного взаимодействия с увеличением количества немагнитных блоков.
Для изучения электронной и спиновой структуры соединений были проведены измерения при помощи фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешениями. Помимо состояний объемной валентной зоны и бездисперсионных уровней Mn на картах дисперсионных зависимостей электронных состояний хорошо видны поверхностные состояния, располагающиеся в объемной запрещенной зоне. Поверхностные состояния образуют конус Дирака, однако имеющий сложную структуру, вследствие эффектов «непересечения» с обьемными состояниями. Измерения со спиновым разрешением показали наличие спиновой поляризации состояний, с проекцией в плоскости, и перпендикулярно волновому вектору, что характерно для топологических поверхностных состояний. Данные фотоэмиссии хорошо согласуются с расчетами методом теории функционала плотности (ТФП). На экспериментальных данных для образца MnBi6Te10 хорошо видны поверхностные топологические состояния, располагающиеся в объемной запрещенной зоне. При этом четко различаются три конуса Дирака, вложенных друг в друга, с различными положениями точек Дирака. Данная структура связана с наличием трех возможных терминаций поверхности, и относительно большим размером пятна излучения на образце. Экспериментальные данные также согласуются с расчетами, и подтверждают топологический характер поверхностных состояний.
Таким образом, топологически нетривиальная природа всех этих соединений и соответствующие дисперсии сильно зависят от терминации поверхности кристалла. Необычные магнитные свойства делают серию (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m уникальной перестраиваемой платформой для создания различных экзотических состояний вещества, таких как собственный (intrinsic) аксион, диэлектрическая фаза КАЭХ, индуцированный полем квантовый эффект Холла и хиральный топологический сверхпроводник.
На основе полученных данных в рамках проекта опубликована статья [5]:I. I. Klimovskikh, M. M. Otrokov, D. Estyunin, S. V. Eremeev, S. O. Filnov, A. Koroleva, E. Shevchenko, V. Voroshnin, A. G. Rybkin, I. P. Rusinov, M. Blanco-Rey, M. Hoffmann, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, I. R. Amiraslanov, N. A. Abdullayev, V. N. Zverev, A. Kimura, O. E. Tereshchenko, K. A. Kokh, L. Petaccia, G. Di Santo, A. Ernst, P. M. Echenique, N. T. Mamedov, A. M. Shikin and E. V. Chulkov "Tunable 3D/2D magnetism in the (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m topological insulators family" npj Quantum Materials 5, Article number: 54 (2020) Impact Factor = 6.562
6. Исследование поверхностной и объемной электронной структуры и магнитных свойств тяжелофермионного соединения CeRh2Si2.
Тяжелофермионное соединение CeRh2Si2, как и многие другие подобные системы семейства RET2Si2 обладает поверхностями двух типов: силицидной (Si-Rh-Si блок) и редкоземельной (Се). Это свойство представляет уникальную возможность изучить электронную структуру и магнитные свойства атомов Сe на поверхности и в объеме кристалла методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, проводя измерения на одном образце и снимая фотоэмиссионный Се 4f сигнал с двух типов его поверхностей. Наши успешные эксперименты показали, что свойства атомов Се на поверхности и в объеме отличаются кардинальным образом. Поверхностный слой Се представляет собой двумерную Кондо решетку, которая очень слабо чувствует объем кристалла, и показывает температуру Кондо, существенно выше чем в объеме. Это в первую очередь связано с принципиально отличной от объема электронной структурой поверхности а также другим кристаллическим полем вблизи нее. Мы провели детальное описание свойств поверхностной и объемной Кондо решеток, показали как правильно проводить фотоэмиссионные исследования таких систем и выявлять аккуратно сначала тип изучаемой поверхности, характеризовать ее, и только потом проводить исследования температурной зависимости спектральной функции Се 4f. Мы показали, что последняя содержит вклады от поверхностного, приповерхностного и объемного Се. Без такой характеризации кристалла, получаемые результаты не являются надежными. Мы показали тонкую структуру спектра и охарактеризовали структуру валентных электронных состояний, взаимодействующих с Ce 4f как на поверхности, так и в объеме. Продемонстрировали, что зависимость Кондо пика от волнового вектора k принципиально отличается на поверхности и в объеме кристалла, а также привели новую методику выявления тонкой структуры спектра выше уровня Ферми, обсудили и сравнили результаты использования нашего подхода с классическим делением спектральной функции на распределение Ферми-Дирака. Данная работа получила прекрасные отзывы рецензентов журнала npj Quantum Materials, которые отдельно подчеркнули новизну и оригинальность исследования и рекомендовали работу к печати.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [6]: G. Poelchen, S. Schulz, M. Mende, M. Güttler, A. Generalov, A. V. Fedorov, N. Caroca-Canales, Ch. Geibel, K. Kliemt, C. Krellner, S. Danzenbächer, D. Yu. Usachov, P. Dudin, V. N. Antonov, J. W. Allen, C. Laubschat, K. Kummer, Yu. Kucherenko and D. V. Vyalikh "Unexpected differences between surface and bulk spectroscopic and implied Kondo properties of heavy fermion CeRh2Si2" npj Quantum Materials 5, Article number: 70 (2020) Impact Factor = 6.562
7. Новый подход к синтезу эпитаксиального нанотонкого сплава Pt5Gd через интеркаляцию под графен.
Синтезированы нанотонкие эпитаксиальные сплавы PtxGd на поверхности монокристалла Pt(111), покрытые хорошо ориентированным графеном, и исследована их электронная и атомная структура на разных этапах синтеза. Данные дифракции медленных электронов (ДМЭ), фотоэлектронной спектроскопии (ФЭСУР и РФЭС) и сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) показывают, что осаждение атомов Gd на систему графен/Pt(111) и их дальнейшая интеркаляция при 1080 °C приводят к формированию нанотонкого сплава Pt5Gd, покрытого квазисвободным графеном. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии остовных уровней с угловым разрешением показано, что сплав имеет толщину около 3 нм и терминирован Pt слоем под графеном. Согласно СТМ данным, верхний слой сплава имеет “кагомную” структуру, более того наблюдается картина муара между нанотонким сплавом и монокристаллом Pt(111). Представлено сравнение данных, полученных методом ФЭСУР, и расчета методом функционала плотности элементарной ячейки графена и сплава, тип «Top». Данная структура наиболее энергетически выгодна и показывает хорошее совпадение с экспериментом. Можно утверждать, что электронная структура графена на сплаве Pt5Gd в отличие от Pt(111) сильнее гибридизована с Pt состояниями d характера, но по-прежнему имеет квазисвободный характер. Перенос заряда на графен наблюдается в сравнимых энергетических сдвигах C 1s остовного уровня и точки Дирака (относительно системы графен/Pt(111)). Электронная структура графена характеризуется p-допированием до энергии связи ~ -0,3 эВ выше уровня Ферми, что, как правило, усиливает каталитическую активность материала вследствие увеличения плотности состояний вблизи уровня Ферми. Контроль допирования графена через изменение стехиометрии сплава может открыть новые возможности в развитии современной электроники. Благодаря хорошо известной каталитической активности сплава Pt5Gd, синтезированная тонкопленочная система перспективна для производства катализаторов. 
Результаты исследований опубликованы в статье [7]:A. G. Rybkin, A. A. Rybkina, A. V. Tarasov, D. A. Pudikov, I. I. Klimovskikh, O. Yu. Vilkov, A. E. Petukhov, D. Yu. Usachov, D. A. Estyunin, V. Yu. Voroshnin, A. Varykhalov, G. Di Santo, L. Petaccia, E. F. Schwier, K. Shimada, A. Kimura, A. M. Shikin "A new approach for synthesis of epitaxial nano-thin Pt5Gd alloy via intercalation underneath a graphene" Applied Surface Science 526, 146687 (2020) Impact Factor = 6.182
8. Новые многокомпонетные полупроводниковые материалы с большим потенциалом внедрения в различные технологии.
Сложные перовскито-подобные оксиды типа ABO3 обладают большим разнообразием важных свойств, которые могут использоваться в многочисленных приложениях. В частности, они рассматриваются как потенциально важные анодные материалы для применения в IT индустрии, для создания магнито-оптических преобразователей, газовых сенсоров, а также могут использоватся как гетерогенные катализаторы и пьезоэлектрики. Богатство свойств таких соединений во многом связано со взаимным расположением катионов А и В по подрешеткам и это может зависеть от температуры и от условий приготовления таких материалов. В данной работе изучаются новые фазы PrBaCoMO6-дельта, где М=Nb и Ta, их структурная стабильность, а также оптические и магнитные свойства. Показано, что атомы Со не замещаются атомами Nd и Ta, последние формируют свои подрешетки. Рентгеновские измерения и первопринципные расчеты показывают, что эти соединения являются полупроводниками с оптической щелью около 3 эВ. Магнитные измерения характеризуют эти материалы как парамагнетики. 
Результаты данных исследований опубликованы в статье [8]: B.V. Politov, S.N. Marshenya, M.O. Kalinkin, M. Yu Mychinko, A. Yu Suntsov, S.A. Petrova, V.P. Zhukov, E.V. Chulkov, V.L. Kozhevnikov "Crystal structure and cation ordering in novel perovskite type oxides PrBaCoTa(Nb)O(6-δ)" Journal of Alloys and Compounds 824, 153909 (2020) Impact Factor = 4.650
Известно, что формиаты меди проявляют интересные магнитные и диэлектрические свойства, что позволяет использовать их для создания молекулярных магнитов и ультрадисперсных пленок, профильных контактов и композитных материалов для различных электронных приборов. В данной работе развивается новый метод синтеза ряда формиатов меди(II) и изучаются их тепловые, спектральные и магнитные свойства. В рамках данного метода синтезированы орторомбическая и моноклинная структуры данных формиатов, изучены их структурные, колебательные и магнитные характеристики. Обнаружено, что альфа-модификация формиата меди является ферромагнетиком при низких температурах, в то время как бета-модификация является антиферромагнетиком. 
Результаты данных исследований опубликованы в статье [9]: V.N.Krasil'nikov, V.P.Zhukov, E.V.Chulkov, I.V.Baklanova, D.G.Kellerman, О.I.Gyrdasova, Т.V.Dyachkova, А.P.Tyutyunnik "Novel method for the production of copper(II) formates, their thermal, spectral and magnetic properties" Journal of Alloys and Compounds v. 845, 156208 (1-12) (2020) Impact Factor = 4.650
9. Изучена природа энергетической щели в точке Дирака и поверхностное магнитное взаимодействие в аксионном антиферромагнитном топологическом изоляторе MnBi2Te4. 
Методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением (ARPES) с использованием лазерного возбуждения при различных температурах (9–35 K), поляризации света и энергиях фотонов исследована модификация энергетической щели в точке Дирака, а также электронная и спиновая структура в аксионном антиферромагнитном топологическом изоляторе MnBi2Te4. На ARPES дисперсиях обнаружены как большие (60–70 мэВ), так и малые (<20 мэВ) энергетические щели в точке Дирака, которые остаются открытыми выше температуры Нееля (TN=24.5K), т.е. выше температуры перехода из антиферромагнитной в парамагнитную фазу. На ARPES дисперсионных картах магнитный переход проявляется в непрерывном уменьшении интенсивности поверхностных Дираковских состояний с увеличением температуры при температурах ниже температуры Нееля. Выше температуры Нееля интенсивность поверхностных Дираковских состояний остается практически постоянной. Предполагается, что выше TN щель остается открытой из-за короткодействующего магнитного поля, создаваемого хиральными спиновыми флуктуациями. Измеренные ARPES дисперсии с разрешением по спину для поверхностных топологических состояний демонстрируют хиральную спиновую структуру в плоскости поверхности с инверсией спина для состояний Дираковского конуса с противоположными импульсами. Спиновая структура перпендикулярно поверхности показывает инверсию спиновой поляризации для состояний верхнего и нижнего Дираковского конуса.Сравнительные измерения ARPES дисперсионных карт со спиновым разрешением, XMCD и циркулярный дихроизм в ARPES показывают поверхностное ферромагнитное упорядочение для образца с большой щелью и уменьшенный эффективный магнитный момент для малой щели. Данное различие может быть объяснено смещением топологических Дираковских состояний в область, включающую также и второй слой Mn, которое может иметь место вследствие структурных поверхностных возмущений и эффектов релаксации ван-дер-Ваальсовых расстояний между слоями. В этом случае противоположные магнитные моменты первого и второго Mn слоев компенсируют друг друга, что приводит к уменьшению величины щели в точке Дирака. С помощью ab-initio расчетов было показано, что структурная модификация поверхности может привести к значительной модуляции щели в точке Дирака. Показано результирующее изменение величины щели, открываемой в точке Дирака, в зависимости от вариации величины ван-дер-Ваальсового расстояния между слоями и соответствующее перераспределение плотности топологических состояний.
На основе полученных результатов опубликована статья [10]:A. M. Shikin, D. A. Estyunin, I. I. Klimovskikh, S. O . Filnov, E. F. Schwier, S. Kumar, K. Miyamoto, T. Okuda, A. Kimura, K. Kuroda, K. Yaji, S. Shin, Y. Takeda, Y. Saitoh, Z. S. Aliev, N. T. Mamedov, I. R. Amiraslanov, M. B. Babanly, M. M. Otrokov, S. V. Eremeev and E. V. Chulkov "Nature of the Dirac gap modulation and surface magnetic interaction in axion antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4" Scientific Reports 10, Article number: 13226 (2020) Impact Factor = 3.998
10. Топологизация бета-антимонина (бислоя сурьмы) на поверхности Bi2Te3 как эффект гибридизации электронных состояний данных систем.
Топологические поверхностные состояния обычно возникают на границе раздела (интерфейсе) топологического и тривиального изолятора. Их физический характер и пространственная локализация зависят от сложной взаимосвязи между химическими, структурными и электронными свойствами обоих изоляторов, находящихся в контакте. В данной работе исследовалась, как экспериментально так и теоретически, “топологизация” бета-антимонина (бислоя сурьмы), помещенного на поверхность топологического изолятора Bi2Se3. Измерения проводились с помощью сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии, также использовалась фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением. Расчеты электронных спектров проводились в рамках функционала электронной плотности. Было показано, что бета-антимонин, который в свободном состоянии является тривиальным полупроводником, наследует уникальную спиновую текстуру, защищенную симметрией, от Bi2Se3 благодаря эффекту близости. Таким образом, топологически защищенное поверхностное состояние селенида висмута мигрирует в бислой сурьмы, т.е. в систему, элементный состав и кристаллическая структура которой существенно отличаются от таковых в селениде висмута. Это открывает новые возможности для создания сложных гетероструктур с целью их использования в квантовых приборах нового поколения. 
Результаты данных исследований по проекту опубликованы в статье [11]:K. Holtgrewe, S.K. Mahatha, P.M. Sheverdyaeva, P. Moras, R. Flammini, S. Colonna, F. Ronci, M. Papagno, A. Barla, L. Petaccia, Z.S. Aliev, M.B. Babanly, E.V. Chulkov, S. Sanna, C. Hogan and C. Carbone "Topological proximity effects in β-antimonene on Bi2Se3" Scientific Reports 10, Article number: 14619 (2020) Impact Factor = 3.998
11. Исследование особенностей электронной структуры магнитного топологического изолятора MnBi2Te4.
В рамках работы по проекту были проведены исследования электронной структуры соединения MnBi2Te4. Данный материал является собственным магнитным топологическим изолятором (ТИ), обладает слоистой кристаллической структурой, состоящей из чередующихся семислойных блоков вида Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te. Ниже температуры магнитного перехода (25 К) имеет антиферромагнитное (АФМ) упорядочение между соседними блоками, внутри блока магнитные моменты Mn упорядочены ферромагнитным образом. MnBi2Te4 представляет значительный интерес для исследования благодаря возможности открытия большой (около 80 мэВ) запрещенной зоны в точке Дирака. Это вместе с высокой температурой магнитного упорядочения (25 К) дает возможность повышения температуры перехода в состояние квантового аномального эффекта Холла, то есть реализации 1D канала бездиссипативной спиновой проводимости. В тонких пленках MnBi2Te4 возможно реализовать фазу аксионного изолятора. Для изучения влияния магнетизма на электронную структуру ТИ в работе были проведены измерения методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР) при температурах выше и ниже магнитного упорядочения. В зоне проводимости наблюдалось расщепление зоны (А) при переходе в магнитную фазу. Исследование и анализ динамики расщепления от температуры показали наличие корневой зависимости величины расщепления от температуры (ΔE~〖(1-T⁄T_0 )〗^2β,β≈0.25), что свидетельствует об обменной природе механизма расщепления. Таким образом были получены свидетельства влияния магнетизма на электронную структуру ТИ. Более того, было показано, что температура T_0, при которой начинается расщепление зон, с учетом погрешности оказалась равной температуре АФМ перехода, измеренной прямыми методами. Это дает возможность оценки локальных магнитных свойств на поверхности образцов MnBi2Te4 при помощи измерения ФЭСУР спектров. В работе было показано, что изменение интенсивности состояний Дираковского конуса с температурой подобно поведению вышеупомянутого обменного расщепления. Это может также свидетельствовать о влиянии магнетизма на состояния Дираковского конуса. Однако, обнаруженная запрещенная зона в точке Дирака в АФМ фазе практически остается неизменной при переходе в парамагнитную фазу. Таким образом поведение топологических состояний с температурой оказывается неоднозначным и требует дальнейшего изучения. 
Результаты данных исследований в рамках проекта опубликованы в статье [12]: D. Estyunin, I. Klimovskikh, A. M. Shikin, E. F. Schwier, M. M. Otrokov, A. Kimura, S. Kumar, S. Filnov, Z. Aliev, M. Babanly, E. V. Chulkov "Signatures of temperature driven antiferromagnetic transition in the electronic structure of topological insulator MnBi2Te4" APL Materials 8, 021105 (2020) Impact Factor = 3.819
12. Спин-орбитальное расщепление состояний квантовой ямы в n-монослойных гетероструктурах Ir/Au(111).
Установлено, что биметаллические поверхности могут демонстрировать свойства, поразительно отличающиеся от свойств поверхностей любого из составляющих металлов. Интерес к биметаллическим поверхностям Ir/Au вызван тем, что они могут обладать уникальными химическими и физическими свойствами: устойчивостью к коррозии, окислению и растворению, высокой работой выхода и температурой плавления. Это означает, что биметаллическая поверхность Ir/Au может рассматриваться как хороший кандидат для широкого круга приложений в электрохимии и для создания высокотемпературных омических контактов на различных полупроводниковых материалах III-V в электронике. В настоящей работе в рамках теории функционала плотности изучено влияние спин-орбитального взаимодействия на состояния квантовой ямы в атомарно тонких пленках Ir, нанесенных на подложку Au(111). Для пленок Ir толщиной от 1 до 3 атомных слоев были обнаружены многочисленные состояния квантовой ямы, образованные преимущественно d-состояниями. В рамках модели Рашбы анализируется зонная дисперсия этих состояний, возникающих в широкой запрещенной щели подложки Au(111) вблизи центра зоны Бриллюэна. Вычисленные значения параметра Рашбы αR для всех этих состояний квантовой ямы превышают 2 эВ·Å. Максимальное значение αR = 6.4 эВ·Å было получено для системы c одним монослоем Ir. Такое большое спиновое расщепление мы объясняем доминированием d-характера состояний и их сильной взаимной гибридизацией. Кроме того, обнаружено сильное увеличение плотности электронных состояний на поверхности вблизи уровня Ферми по сравнению с чистыми поверхностями Ir(111) и Au(111). Энергетическое положение состояний квантовой ямы относительно уровня Ферми сильно зависит от толщины слоя Ir, что может быть привлекательным для разработки электронных систем, основанных на использовании спин-орбитального расщепления электронных состояний.
Результаты данных исследований в рамках проекта опубликованы в статье [13]: I. V. Silkin, Yu. M. Koroteev, V. M. Silkin, and E. V. Chulkov "Spin-orbit splitting of quantum well states in n-monolayer Ir/Au(111) heterostructures" Phys. Rev. B 101, 235409 (2020) Impact Factor = 3.575
13. Разработан метод определения спиновой структуры электронных поверхностных состояний, которые испытывают как спин-орбитальное, так и магнитообменное взаимодействия.
Наш анализ дисперсии зон, полученных из фотоэмиссионных измерений, позволяет получить подробную информацию о спиновой структуре и эффективном спин-орбитальном поле. Чтобы проиллюстрировать предложенный подход, мы использовали немагнитный материал со смешанной валентностью EuIr2Si2, который демонстрирует ярко выраженные ферромагнитные свойства на своей поверхности силицида иридия при низких температурах. Показано, что при наличии поверхностной намагниченности параллельной поверхности, эффективные спин-орбитальные и обменные поля проявляются в характерной асимметрии дисперсий зон поверхностного состояния. Показано, что спиновая структура таких состояний в парамагнитной фазе может быть получена из измерений ARPES в ферромагнитной фазе. Используя простой двухзонный модельный гамильтониан, мы обнаружили довольно сложную спиновую структуру с тройным вращением спинового вектора на контуре Ферми. Комбинируя измерения поверхности в пара- и ферромагнитных фазах, мы получили исчерпывающее описание эффективных спин-орбитальных и обменных полей, управляющих спиновой структурой поверхностных состояний в обеих фазах. Предложенный подход может быть универсальным инструментом для изучения новых магнитных материалов и систем, в которых поверхностные состояния с расщеплением Рашбы испытывают магнитообменное взаимодействие. Полученные результаты приняты к публикации в журнале “Phys. Rev. B” с рекомендацией редакторов.
Результаты данных исследований в рамках проекта опубликованы в статье [14]: D. Yu. Usachov, M. Güttler, S. Schulz, G. Poelchen, S. Seiro, K. Kliemt, K. Kummer, C. Krellner, C. Laubschat, E. V. Chulkov, and D. V. Vyalikh "Spin structure of spin-orbit split surface states in a magnetic material revealed by spin-integrated photoemission" Phys. Rev. B 101, 245140 (2020) Impact Factor = 3.575
14. Электронная зонная структура трехмерных топологических изоляторов AIVBi4Te7-xSex (AIV = Sn, Pb; x = 0, 1).
Ранее было показано, что положение дираковского состояния по отношению к объемным зонам топологического изолятора и дисперсия конуса Дирака влияют на проводящие свойства и таким образом, и таким образом необходима точная настройка таких характеристик топологического изолятора, как объемная энергетическая щель, групповая скорость и энергия поверхностного Дираковского состояния. В данной работе было проведено детальное сравнительное исследование электронной структуры тройных и четверных топологических изоляторов AIVBi4Te7-xSex (AIV = Sn, Pb; x = 0, 1) с помощью DFT-расчетов и ARPES измерений. Впервые были предоставлены экспериментальные доказательства топологической природы SnBi4Te7, поверхностный спектр которого, как и в случае других соединений AIVBi4Te7-xSex показывает два различных топологических состояния, возникающих на двух разных поверхностных окончаниях – пятислойном и семислойном. Теоретические и экспериментальные результаты для электронной зонной структуры соединений SnBi4Te7 и PbBi4Te6Se по сравнению с PbBi4Te7 демонстрируют, что частичная замена тяжелых атомов (Te) более легкими изоэлектронными (Se) увеличивает объемную запрещенную зону в 1,5 раза. Также показано, что форму конуса Дирака и соответствующее и его положение по отношению к уровню Ферми можно изменить, изменив стехиометрию соединения. Экспериментально также была показана инертность исследуемых соединений к воздействию кислорода при комнатной температуре. Таким образом, результаты подтверждают новаторский подход, который позволяет разрабатывать топологические изоляторы с настраиваемыми электронными состояниями путем изменения стехиометрии соединений, не подверженных воздействию загрязняющих веществ.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [15]: I. Grimaldi, D. Pacilè, S.V. Eremeev, O. De Luca, A. Policicchio, P. Moras, P.M. Sheverdyaeva, A. K-Kundu, Z.S. Aliev, P. Rudolf, R.G. Agostino, E.V. Chulkov, and M. Papagno "Electronic band structure of three-dimensional topological insulators with different stoichiometry composition" Phys. Rev. B 102, 085118 (2020) Impact Factor = 3.575
15. Исследована электронная структура и магнитные свойства Gd-допированного топологического изолятора на основе таллия - TlBi0.9Gd0.1Se2.
В данной работе, методами фотоэлектронной спектроскопии угловым (ФЭСУР) и спиновым разрешением (Спин-ФЭСУР) и сверхпроводящей магнитометрии (СКВИД) были систематически изучены электронная и магнитная структуры магнитного топологического изолятора TlBi0.9Gd0.1Se2, а также был проведен анализ особенностей запрещенной зоны в точке Дирака при измерении с помощью различных источников излучения. С помощью метода СКВИД магнитометрии был изучен магнитный порядок соединения TlBi0.9Gd0.1Se2. Измерение магнитной восприимчивости от температуры и магнитного поля от намагниченности при разных температурах показало, что данное соединение характеризуется парамагнитным порядком вплоть до 2 К.С помощью метода ФЭСУР и Спин-ФЭСУР были изучена электронная и спиновая структуры поверхностного состояния, характеризующееся спин-поляризованным конусом Дирака, вблизи уровня Ферми. Было показано, что измерения ФЭСУР с использованием синхротронного и лазерного излучения, могут сильно отличаться. Так, было показано, что при измерении с помощью лазерного излучения запрещенная зона в точке Дирака составляет порядка 20 мэВ, в то время как данные полученные с использованием синхротронного излучения показывают наличие запрещенной зоны порядка 60 мэВ, несмотря на парамагнитный порядок соединения. С помощью моделирования фотоэмиссионных спектров было показано, что некоторые параметры, такие как, например, асимметрия могут оказывать сильное влияние на размер запрещенной зоны, определяемой методом ФЭСУР. Учитывая сильную разницу в фокусировке светового пятна для установок использованных при измерении ФЭСУР с использованием лазерного и синхротронного излучения, а также возможного влияния поверхностных дефектов, была выдвинута гипотеза о влиянии размеров пятна на полуширину и асимметрию топологических поверхностных состояний, получаемых методом ФЭСУР, что в свою очередь влияет на определение запрещенной зоны.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [16]: S. O. Filnov, I. I. Klimovskikh, D. A. Estyunin, A. V. Fedorov, V. Yu. Voroshnin, A. V. Koroleva, A. G. Rybkin, E. V. Shevchenko, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, I. R. Amiraslanov, N. T. Mamedov, E. F. Schwier, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Kumar, A. Kimura, V. M. Misheneva, A. M. Shikin, and E. V. Chulkov "Probe-dependent Dirac-point gap in the gadolinium-doped thallium-based topological insulator TlBi0.9Gd0.1Se2" Phys. Rev. B 102, 085149 (2020) Impact Factor = 3.575
16. Разработана модель графенового устройства записи информации для магниторезистивной оперативной памяти SOT-MRAM.
В рамках работ по проекту разработан прототип устройства на основе графена для записи информации в ячейку магнитной памяти SOT-MRAM (магниторезистивная оперативная память с переносом спинового момента). Принцип записи информации в SOT-MRAM основан на пропускании электрического тока через материал с сильным спин-орбитальным взаимодействием для генерации спинового тока и реализации спин-торк эффекта (spin-torque effect). В качестве записывающего слоя в ячейке памяти предложено использовать квазисвободный графен с интеркалированными атомами Au и ультратонкий слой Pt, размещенный между графеном и MTJ. Графен является перспективным кандидатом для применения в 2D спинтронике благодаря большой длине спиновой релаксации и эффективным транспортным свойствам при комнатной температуре. Уникальные свойства графена обусловлены линейной дисперсией валентных электронных состояний вблизи уровня Ферми, вследствие чего носители заряда в графене обладают практически нулевой эффективной массой и аномально высокой подвижностью. Графен, будучи немагнитным материалом со слабым спин-орбитальным взаимодействием, не может рассматриваться как активный элемент спинтроники. Однако возможно усиление спин-орбитального взаимодействия в графене путем интеркаляции атомов тяжелых металлов (Au, Pt) под графен. В работе было показано, что интеркаляция атомов Au под графен на ферромагнитной подложке Ni(111) или Co(0001) приводит к формированию квазисвободного графена с линейным конусом Дирака в области точки К поверхностной зоны Бриллюэна. При этом образцы графена характеризуются хорошо упорядоченной кристаллической структурой и наблюдается гигантское индуцированное спиновое расщепление электронных состояний графена величиной до 100-150 мэВ. В работе были проведены дополнительные исследования системы графен/Au/Co в экстремальных условиях – формирование частично интеркалированного графена и термическое разрушение полностью интеркалированного графена. Показано, что эффекты спинового расщепления в графене сохраняются даже после отжига системы при температуре 600-650оС. Это демонстрирует термическую стабильность системы в реальных условиях, что является стандартным требованием для систем хранения информации CMOS.Таким образом, контакт графена с металлами Au или Pt обеспечивает усиление индуцированного спин-орбитального взаимодействия в графене и повышение эффективности генерации спинового тока в элементе памяти. Благодаря высокой проводимости графена ожидается улучшение рабочих характеристик устройства – увеличение скорости работы и снижение энергопотребления устройства за счет уменьшения пропускаемого электрического тока, необходимого для записи информации. Кроме того использование ультратонкой прослойки Pt между графеном и свободным магнитным слоем повысит эффективность передачи спинового момента и инжекции спин-поляризованных токов в свободный магнитный слой. Так как именно контакт ферромагнитного материала Co и Pt показывает высокую эффективность спин-орбитального торк эффекта и передачи спинового момента. С другой стороны, ультратонкий слой Pt предотвратит разрушение Дираковского конуса электронных состояний при контакте графена с магнитным металлом свободного магнитного слоя. Эффективность предложенного прототипа ячейки памяти на основе графена подтверждена экспериментальными результатами по исследованию электронной и спиновой структуры используемых материалов и их контактов, а также теоретическими оценками на основе микромагнитного моделирования.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [17]:A. A. Rybkina, A. G. Rybkin, I. Klimovskikh, P. N. Skirdkov, K, A. Zvezdin, A. K. Zvezdin and A. Shikin "Advanced graphene recording device for spin–orbit torque magnetoresistive random access memory" Nanotechnology, 31 165201 (2020) Impact Factor = 3.551
17. Исследование электронной структуры полупроводников ε-GaSe и ε-InSe.
Слоистые ван-дер-Ваальсовы соединения MX (M — постпереходный металл, X — халькоген) в последнее время привлекают к себе внимание в качестве двумерных материалов, электронные свойства которых сильно зависят от количества слоев. Пленки разной толщины демонстрируют переменную ширину запрещенной зоны, поэтому они оптически активны в ИК и видимой областях и исследуются как активные компоненты в фотодетекторах. Однако подвижность носителей в MX соединениях увеличивается с увеличением количества слоев, что определяет интерес к многослойным гетероструктурам или объемным материалам. Для соединений MX, и в частности для двух родственных соединений GaSe и InSe существуют различные политипы, которые отличаются структурой кристаллической решетки. Среди них ε-фаза оставалась до сих пор не изученной. С помощью измерений фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) и расчетов в рамках теории функционала плотности было проведено сравнительное изучение электронной структуры объемных полупроводников ε-GaSe и ε-InSe. Детально выяснена роль спин-орбитального взаимодействия в формировании объёмного спектра данных материалов. Показано, что заметное спин-орбитальное расщепление валентной зоны наблюдается только на краю зоны Бриллюэна, где доминируют состояния Ga или In. В тоже время в центре зоны Бриллюэна, где вершина валентной зоны форимруется орбиталями Se, спин-орбитальное расщепление отсутствует. Эти результаты объясняют экспериментально наблюдаемую нечувствительность эффективной массы дырки к постпереходному металлу. Также, с помощью spin-ARPES измерений и расчетов поверхностной зонной структуры мы описываем Рашбовское расщепление поверхностных состояний.
Результаты данных исследований по проекту опубликованы в статье [18]: S. V. Eremeev, M. Papagno, I. Grimaldi, O. De Luca, L. Ferrari, Asish K. Kundu, P. M. Sheverdyaeva, P. Moras, G. Avvisati, A. Crepaldi, H. Berger, I. Vobornik, M. G. Betti, M. Grioni, C. Carbone, E. V. Chulkov, and D. Pacilé "Insight into the electronic structure of semiconducting ε-GaSe and ε-InSe" Phys. Rev. Materials 4, 084603 (2020) Impact Factor = 3.337
18. Влияние термического отжига в формовочном газе на оптические и электрические свойства MoS2 монослоя.
Технологические применения 2D MoS2 слоев требуют переноса материала, выращенного методом CVD, с его исходной подложки и последующей литографии. Неизбежно эти шагизагрязняют поверхность 2D-материала остатками полимера, влияющими на электронныеи оптические свойства MoS2. Отжиг в формовочном газе считается эффективным для частичного удаления таких остатков. Однако водород также взаимодействует с MoS2, создавая или насыщая серные вакансии. Известно, что вакансии серы являются источником n-допирования в большинстве образцов MoS2 после выращивания. В связи с этим исследование влияние термического отжига в формовочном газе на электронные и оптические свойства MoS2 монослоя является технологически важным. Систематически изучена эволюция MoS2 монослоя, выращенного методом CVD с помощью рамановской спектроскопии, фотолюминесценции, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и транспортных измерений через серию термических отжигов в формовочном газе при температурах до 500 °C. Обнаружено эффективное удаление полимерных остатков при температурах до 200 °C. Выше этого значения изменение плотности носителей заряда подтверждается фотолюминесценцией, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией и электрическими характеристиками и коррелирует с образованием вакансий серы. Показано, что отжиг при температурах выше 350°C приводит к деградации MoS2 монослоя, что подтверждается с помощью рамановской спектроскопии и измерений фототока.
Результаты данных исследований по проекту опубликованы в статье [19]:F. Iacovella, A. Koroleva, A. Rybkin, M. Fouskaki, N. Chaniotakis, P. Savvidis, G. Deligeorgis "Impact of thermal annealing in forming gas on the optical and electrical properties of MoS2 monolayer" Journal of Physics: Condensed Matter, DOI: https://doi.org/10.1088/1361-648X/abbe76 (2020) Impact Factor = 2.707
19. Изучение механизма открытия щели в точке Дирака в электронном спектре Gd-допированного топологического изолятора.
Методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением проведены исследования электронной структуры в области точки Дирака для магнитно-допированного топологического изолятора Bi1.09Gd0.06Sb0.85Te3 при различных температурах (выше и ниже температуры Нееля, 1−35 K) и поляризациях синхротронного излучения. Показано, что точка Дирака для данного материала располагается вблизи уровня Ферми. Путем анализа дисперсий поверхностных топологических состояний методом ФЭСУР выявлена энергетическая щель 25−35 meV (в зависимости от условий измерений), открываемая в точке Дирака, которая остается открытой выше температуры Нееля, когда дальнодействующий магнитный порядок в системе уже нарушается. Измерения магнитных свойств методом сверхпроводящей магнитометрии (СКВИД) показали антиферромагнитное упорядочение с ориентацией магнитного момента по нормали к поверхности с температурой Нееля для перехода между АФМ- и парамагнитной-фазой в объеме, равной 8.3 K. Исследования температурной зависимости интенсивности состояний конуса Дирака методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением подтвердили наличие магнитного перехода и показали возможность его индикации непосредственно из фотоэмиссионных спектров. Более детальный анализ величины расщепления между состояниями верхнего и нижнего конусов Дирака (т. е. величины энергетической щели) в точке Дирака в фотоэлектронных спектрах показал зависимость щели в точке Дирака от типа поляризации синхротронного излучения (28−30 meV для p-поляризации и 22−25 meV для циркулярно-поляризованного излучения противоположной хиральности). В работе предложен механизм открытия щели в точке Дирака выше температуры Нееля вследствие ”спаривания“ дираковских фермионов с противоположным импульсом и спиновой ориентацией в результате их взаимодействия со спиновой текстурой, формируемой непосредственно в процессе фотоэмиссии в области фотоэмиссионной дырки на атоме магнитной примеси (Gd). Было показано, что щель в точке Дирака, измеряемая выше температуры Нееля является динамической и формируется непосредственно в процессе фотоэмиссии. При этом природа щели остается магнитной (даже при отсутствии дальнодействующего магнитного упорядочения) и обусловлена свойствами магнитного топологического изолятора, что и определяет практически неизменность величины щели при переходе через температуру Нееля. Подтверждением динамического характера генерируемой щели является зависимость ее величины от поляризации синхротронного излучения.
Результаты данных исследований по проекту опубликованы в статье [20]:Shikin A. M., Estyunin D. A., Koroleva A. V., Glazkova D. A., Makarova T. P. and Filnov S. O. «Gap Opening Mechanism at the Dirac Point in the Electronic Spectrum of Gd-Doped Topological Insulator» Physics of the Solid State, Vol. 62, P. 338–349 (2020) Impact Factor = 0.950

Информация о привлечении финансирования в 2020 году:

1) Грант РФФИ-Азербайджан № 18-52-06009 «Спин-поляризованная электронная структура, оптические и транспортные свойства магнитно-допированных полупроводников с нетривиальной топологией», рук-ль Е.В. Чулков (Pure ID: 44990628). Смета гранта за этап август 2019 – июнь 2020: 2 000 тыс. руб.
2) Грант РНФ № 18-02-00062 «Магнитно-упорядоченные 2D системы с Дираковским конусом электронных состояний как ключевые материалы для устройств спинтроники и топологических квантовых компьютеров», рук-ль А.М. Шикин (Pure ID: 50052147). Смета гранта на 2020 год: 6 000 тыс. руб.
3) Грант РФФИ № 20-32-70179 «Стехиометрические магнитные топологические изоляторы для антиферромагнитной и 2D спинтроники и квантовых компьютеров», рук-ль И.И. Климовских (Pure ID: 49332642). Смета гранта на этап 2019-2020 г.г.: 3 000 тыс. руб.
4) Грант РФФИ № 20-32-70127 «Строение, электронная и спиновая структура квазидвумерных систем со спин-орбитальным, обменным и Кондо взаимодействием», рук-ль Д.Ю. Усачев (Pure ID: 49288623). Смета гранта на этап 2019-2020 г.г.: 2 750 тыс. руб.
5) Грант РНФ № 18-72-00073 «Графен-содержащие материалы для спинтроники и квантовых вычислений», рук-ль И.И. Климовских (Pure ID: 16847387). Смета гранта за этап июль 2019 – июнь 2020: 1 500 тыс. руб.
6) Грант РНФ № 20-72-00031 «Магнитно-спин-орбитальный графен для реализации устройств спинтроники», рук-ль А.А. Рыбкина (Pure ID: 62102491). Смета гранта за этап июль 2020 – июнь 2021: 1 500 тыс. руб.
7) DIPC Donostia International Physics Center (Международный Центр Физики, Сан Себастьян, Испания). Оплата за статьи 2020 года, опубликованные в журналах APL Materials (2750 USD) и npj Quantum Materials (1690 EUR).
8) Договор на НИР с ИФП СО РАН (грант Министерства науки и высшего образования № 075-15-2020-797 (13.1902.21.0024)), рук-ль А.М. Шикин (Pure ID: 70628868). Смета гранта на 2020 год: 45 000 тыс. руб.

Информация о регистрации охраноспособного РИД в 2020 году:

1. Евразийский патент на изобретение №034307 "Устройство записи информации для магниторезистивной оперативной памяти". Дата выдачи: 27.01.2020 г. Авторы: Шикин А.М., Рыбкина А.А., Рыбкин А.Г., Климовских И.И., Скирдков П.Н.

2. Свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020610365 "Программа для записи фотоэлектронных спектров (XPS spectra)". Дата регистрации: 13.01.2020. Авторы: научные сотрудники СПбГУ Рыбкин А.Г., Усачев Д.Ю. и сотрудники РЦ ФМИП Жижин Е.В., Пудиков Д.А.

Key findings for the stage (summarized)

Основной целью лаборатории является предсказание, создание и детальное изучение новых квантовых материалов – топологических изоляторов, графена, систем типа Рашбы для их дальнейшего применения в спинтронике, наноэлектронике и квантовых вычислениях.
В ходе выполнения НИР получены следующие важнейшие научные результаты: Проведено теоретическое и экспериментальное исследование электронной и спиновой структуры широкого класса магнитно-упорядоченных и магнитно-допированных топологических изоляторов (ТИ), содержащих магнитные переходные и редкоземельные элементы. Методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением исследована серия упорядоченных магнитных ТИ нового типа (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m, m=0-4. Выявлена зависимость энергетической щели, открываемой в точке Дирака, от структуры материала, концентрации магнитных элементов и температуры. Данные материалы рассматриваются как высоко перспективные системы для применений в наноэлектронике, в антиферромагнитной спинтронике и квантовых компьютерах. Показано, что сила межслойного обменного взаимодействия, связывающего ферромагнитные слои Mn в соседних блоках в серии (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m, постепенно уменьшается с увеличением m, а его характер меняется от АФМ (m=0,1,2) к ФМ (m=3). Начиная с m=4 материал переходит в двумерный ферромагнитный режим.
Изучена природа энергетической щели, возникающей в точке Дирака, и поверхностное магнитное взаимодействие в аксионном антиферромагнитном ТИ MnBi2Te4. Показана возможность модуляции величины щели от 60–70 до 15-20 мэВ, а также продемонстрировано, что щель остается открытой выше температуры Нееля (TN=24.5K). Теоретический анализ показал, что уменьшение величины щели может быть вызвано смещением топологических состояний в область, второго атомного слоя Mn, вследствие структурных поверхностных возмущений, и взаимной компенсации магнитных моментов первого и второго Mn слоев. Исследовано влияние магнетизма на особенности электронной структуры как Дираковских состояний, так и состояний зоны проводимости, которые могут являться индикатором магнитных свойств в фотоэлектронных спектрах.
Изучена возможность создания упорядоченных гетероструктур «магнитный изолятор/ТИ» за счёт самоорганизованного внедрения монослоя Mn внутрь Bi2Te3 (типа MnBi2Te4/Bi2Te3 и Mn4Bi2Te7/Bi2Te3) с намагниченностью на Mn слое перпендикулярно поверхности, что обеспечивает открытие дираковской щели величиной до ~75 мэВ.
Проведено сравнительное исследование электронной структуры тройных и четверных ТИ AIVBi4Te7-xSex (AIV = Sn, Pb; x=0,1) с помощью DFT-расчетов и ARPES измерений. Впервые были предоставлены экспериментальные доказательства топологической природы SnBi4Te7, поверхностный спектр которого, как и в случае других соединений AIVBi4Te7-xSex показывает два различных топологических состояния, возникающих на двух разных поверхностных окончаниях – пятислойном и семислойном.
Исследованы особенности электронной структуры и магнитных свойства Gd-допированных ТИ типа TlBi0.9Gd0.1Se2 и Bi1.09Gd0.06Sb0.85 Te3 методами спин-разрешенной ARPES и сверхпроводящей магнитометрии (СКВИД). Проведен анализ энергетической щели в точке Дирака, измеренной с помощью лазерного и синхротронного излучения при различных температурах. Выявлено влияние асимметрии рассеяния на размер щели в точке Дирака. Показано антиферромагнитное упорядочение с ориентацией магнитного момента по нормали к поверхности (TN=8.5K). Предложен механизм открытия щели в точке Дирака выше температуры Нееля вследствие «спаривания» дираковских фермионов с противоположным импульсом и спиновой ориентацией.
Исследована объёмная и поверхностная электронная структура GeSb2Te4 методом ARPES и проведены расчёты в рамках теории функционала плотности и приближения сильной связи. Показано, что данное соединение находится вблизи точки топологического перехода, которая соответствует фазе дираковского полуметалла.
Обнаружена и впервые экспериментально исследована необычная спиновая структура поверхностных состояний с тройным вращением спина при обходе вдоль контура постоянной энергии в образце антиферромагнетика TbRh2Si2, являющегося представителем широкого класса редкоземельных тройных соединений. В сочетании с различной ориентацией и силой обменного поля вблизи поверхности это может создать множество других необычных спиновых структур. Исследована поверхностная и объемная электронная структура и магнитные свойства тяжелофермионного соединения CeRh2Si2, обладающего поверхностями двух типов: силицидной (Si-Rh-Si блок) и редкоземельной (Се).
Изучена электронная структура полупроводников ε-GaSe и ε-InSe, которые в последнее время привлекают к себе внимание в качестве двумерных материалов, электронные свойства которых сильно зависят от количества слоев.
Исследовано влияние термического отжига на оптические и электрические свойства монослоя MoS2, выращенного методом CVD, с помощью рамановской спектроскопии, фотолюминесценции, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и транспортных измерений. Показана деградация монослоя при температурах выше 350°C.
Синтезированы нанотонкие эпитаксиальные сплавы PtxGd на поверхности монокристалла Pt(111), покрытые хорошо ориентированным графеном, и изучена их электронная и спиновая структура. Проведен расчет методом функционала плотности элементарной ячейки графена и сплава, а также атомной структуры на разных этапах синтеза Показано, что верхний слой сплава имеет “кагомную” структуру. Благодаря хорошо известной каталитической активности сплава Pt5Gd, синтезированная тонкопленочная система перспективна при использовании в катализе.
Разработан метод определения спиновой структуры электронных поверхностных состояний, которые испытывают одновременно спин-орбитальное и магнитообменное взаимодействия. При помощи данного метода исследован немагнитный материал со смешанной валентностью EuIr2Si2, который демонстрирует ярко выраженные ферромагнитные свойства на своей поверхности силицида иридия при низких температурах. Комбинируя измерения поверхности в пара- и ферромагнитных фазах, было получено исчерпывающее описание эффективных спин-орбитальных и обменных полей, управляющих спиновой структурой поверхностных состояний в обеих фазах.
Предложена модель спинового инжектора на основе BiTeBr, управляемого электрическим током. Путем введения кристалла BiTeBr в устройство спинового клапана на основе графена, была впервые продемонстрирована возможность использования BiTeBr в качестве спинового инжектора, управляемого током, что открывает возможности для реализации новых принципов спинтроники в интегральных схемах.
Разработана модель графенового устройства записи информации для магниторезистивной оперативной памяти SOT-MRAM, основанной на пропускании электрического тока через материал с сильным спин-орбитальным взаимодействием для генерации спинового тока и реализации спин-торк эффекта. Контакт графена с Au или Pt приводит к усилению индуцированного спин-орбитального взаимодействия в графене и повышению эффективности генерации спинового тока в элементе памяти. Использование ультратонкого слоя Pt повышает эффективность инжекции спин-поляризованных токов в свободный магнитный слой. Благодаря высокой проводимости графена ожидается увеличение скорости работы и снижение энергопотребления устройства за счет уменьшения пропускаемого электрического тока, необходимого для записи информации.

Academic ownership of participants (text description)

1. Чулков Евгений Владимирович – Руководство проектом. Определение стратегического направления развития лаборатории и проводимых научных исследований. Планирование основной деятельности лаборатории. Организация и анализ теоретических DFT расчетов электронной структуры семейства топологических изоляторов (MnSb2Te4)·(Sb2Te3)n, систем с большим расщеплением Рашбы и систем на основе графена. Подготовка и публикация научных статей, представление результатов на конференциях в качестве соавтора доклада; да (разрешается обработка индивидуальных сведений).
2. Шикин Александр Михайлович - Зам. руководителя проекта. Организация основной деятельности лаборатории, курирование научных направлений. Планирование экспериментальных исследований по исследованию электронной и спиновой структуры топологических изоляторов с различной стехиометрией и собственных магнитных топологических изоляторов семейства (MnBi2Te4)·(Bi2Te3)n, систем на основе графена, а также магнитно-допированных систем типа Рашбы. Участие в экспериментах, анализ полученных результатов. Подготовка и публикация научных статей, представление результатов на конференциях в качестве соавтора доклада; да.
3. Климовских Илья Игоревич - Проведение экспериментальных исследований магнитных топологических изоляторов с различной стехиометрией и систем на основе графена, обработка и анализ полученных данных. Подготовка и публикация научных статей, представление результатов на конференциях в качестве соавтора доклада; да.
4. Естюнин Дмитрий Алексеевич - Участие в экспериментах, обработка и анализ экспериментальных данных по изучению изменений электронной структуры собственных магнитных топологических. Подготовка и публикация научных статей, представление результатов на конференциях в Нижнем Новгороде и Томске; да.
5. Рыбкин Артем Геннадиевич - Проведение теоретических и экспериментальных исследований электронной и спиновой структуры графена при контакте с Au и Co, обработка и анализ результатов. Исследование интеркаляции атомов кобальта под графен на изолирующей подложке SiC(0001). Проведение исследований топологических изоляторов методом сканирующей туннельной спектроскопии. Подготовка и публикация научных статей, представление результатов на конференциях в качестве соавтора доклада; да.
6. Рыбкина Анна Алексеевна - Участие в экспериментах, обработка и анализ экспериментальных данных по исследованию магнитно-легированных топологических изоляторов и систем с большим спин-орбитальным взаимодействием (BiTeI). Исследование электронной структуры графена при контакте с тяжелыми и магнитными металлами с целью применения данных систем в устройствах спинтроники. Подготовка и публикация научных статей. Представление результатов на конференции «Open Science 2020»; да.
7. Терещенко Олег Евгеньевич - Проведение экспериментальных исследований, обработка и анализ результатов по исследованию топологических изоляторов при напылении магнитных металлов. Предварительная характеризация синтезируемых образцов топологических изоляторов семейства (MnBi2Te4)·(Bi2Te3)n, а также сверхпроводящих материалов FeTe. Подготовка и публикация научных статей, представление результатов на конференциях в качестве соавтора доклада; да.
8. Кох Константин Александрович - Синтез высококачественных образцов топологических изоляторов, включающих магнитно-легированны (V, Mn, Gd, Ce) и собственные магнитные топологические изоляторы семейства (MnBi2Te4)·(Bi2Te3)n, а также их предварительная характеризация методом рентгеновской дифракции. Подготовка и публикация научных статей; да.
9. Еремеев Сергей Владимирович - Проведение модельных расчетов, а также DFT расчетов электронной структуры двумерных и трехмерных топологических изоляторов с различной стехиометрией из семейств (MnBi2Te4)·(Bi2Te3)n и (MnSb2Te4)·(Sb2Te3)n. Подготовка и публикация научных статей, представление результатов на конференциях в качестве соавтора доклада; да.
10. Русинов Игорь Павлович - Проведение теоретических DFT расчетов электронной структуры систем с большим спин-орбитальным взаимодействием (топологические изоляторы и Рашба системы) и магнитным легированием. Изучение свойств семейства топологических изоляторов (MnBi2Te4)·(Bi2Te3)n ab-initio методами. Подготовка и публикация научных статей; да.
11. Голяшов Владимир Андреевич – Участие в экспериментах, обработка и анализ экспериментальных данных. Изучение модификации электронной структуры топологических изоляторов BiSbTeSe2 при напылении Co и/или Mn при прогреве методами фотоэлектронной спектроскопии, а также атомно-силовой микроскопии. Подготовка научных статей, представление результатов на конференциях в качестве соавтора доклада; да.
12. Отроков Михаил Михайлович - Проведение расчетов магнитных и электронных свойств семейства топологических изоляторов (MnSb2Te4)·(Sb2Te3)n. Анализ полученных данных. Подготовка и публикация научных статей и представление результатов на конференциях с приглашенными докладами; да.
13. Швец Игорь Анатольевич - Исследование электронных свойств топологических изоляторов методами DFT с различной стехиометрией и поверхностной проводимостью. Обработка и анализ полученных результатов. Подготовка и публикация научных статей; да.
14. Меньшов Владимир Николаевич - Исследование электронных транспортных свойств топологических изоляторов при помощи модельных расчетов. Обработка и анализ полученных результатов с целью применения в устройствах спинтроники. Подготовка научных статей; да.
15. Коротеев Юрий Михайлович - Развитие теоретических физических моделей и анализ полученных результатов. Изучение различных структур на основе топологических изоляторов. Подготовка и публикация научных статей; да.
16. Вязовская Александра Юрьевна - Проведение теоретических расчетов методом DFT и анализ полученных результатов посвященных контактам топологических изоляторов с магнитными материалами (например, CrI3+Bi2Te3). Исследование систем с сильным спин-орбитальным взаимодействием и 4f магнетизмом. Подготовка научных статей; да.
17. Петров Евгений Константинович – Проведение модельных DFT расчетов электронной структуры систем с большим спин-орбитальным взаимодействием и топологических изоляторов из семейства (MnBi2Te4)·(Bi2Te3)n. Подготовка научных статей; да.
18. Вялых Денис Васильевич - Проведение экспериментальных исследований, обработка и анализ полученных результатов по изучению магнитных свойств систем с сильным спин-орбитальным взаимодействием и уникальной магнитной структурой. Подготовка и публикация научных статей; да.
19. Фильнов Сергей Олегович – Проведение экспериментальных исследований, обработка и анализ полученных результатов по изучению электронной и спиновой структуры Gd легированного топологического изолятора TlBi0.9Gd0.1Se2. Подготовка и публикация научных статей. Представление результатов на конференции в Нижнем Новгороде; да.
20. Усачев Дмитрий Юрьевич - Участие в экспериментах, обработка и анализ экспериментальных результатов, посвященных формированию графена на различных подложках. Изучение систем с сильным спин-орбитальным взаимодействием, а также систем с 4f магнетизмом. Подготовка и публикация научных статей; да.
21. Глазкова Дарья Алексеевна – Участие в экспериментах, обработка полученных результатов для статьи, проведение экспериментов по напылению магнитных металлов (кобальта) на поверхность топологических изоляторов. Обработка данных XPS спектров и спин-разрешенных ФЭСУР спектров для внутренних магнитных топологических изоляторов MnBi2Te4. Участие в экспериментах по синтезу графена на подложке SiC(0001) с последующей интеркаляцией магнитных металлов. Подготовка научной статьи. Представление результатов на конференции в Нижнем Новгороде и на конференции «Science and Progress»; да.
22. Ерыженков Александр Владимирович – Участие в экспериментах, обработка экспериментальных результатов, изучение программных пакетов для DFT расчетов и моделирование структуры графена на подложке SiC(0001); да.

Transfer of the full copy of the report to third parties for non-commercial use: permitted/not permitted

не разрешается

Check of the report for improper borrowing in external sources (plagiarism): permitted/not permitted

разрешается

Rationale of the interdisciplinary approach

Лаборатория занимается фундаментальными исследованиями электронной и спиновой структуры новых квантовых материалов и низкоразмерных структур (графен, топологические изоляторы и системы с большим спин-орбитальным взаимодействием) для их последующего применения в наноэлектронике и спинтронике.
Short titleGZ-2020
AcronymMega_SPbU_2015 - 6
StatusFinished
Effective start/end date1/01/2031/12/20