В рамках работ по проекту в 2021 году можно выделить следующие наиболее важные результаты:

1. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование магнитного топологического изолятора MnSb2Te4 с обогащенным количеством Mn.
Магнитные топологические изоляторы (МТИ) представляют важный класс новых материалов, позволяющих реализовать квантовый аномальный эффект Холла, квантованный магнето-электрический эффект, аксионное состояние материала, а также новые электронные состояния – плоские одномерные электронные состояния, локализованные на доменных стенках МТИ. Такие свойства определяют огромный потенциал МТИ в создания систем для а)хранения и манипулирования квантовой информацией, б) когерентного спинового транспорта, в) высоко эффективного катализа, г) создания новых сверхпроводящих систем и др.
В данной работе теоретически и экспериментально исследовалась система MnSb2Te4 с обогащенным количеством Mn, полученная методом молекулярной эпитаксии. Было показано, что эта система является топологическим ферромагнетиком с магнитным моментом, направленным перпендикулярно плоскости поверхности семислойных блоков, составляющих материал. Благодаря некоторому избытку марганца система демонстрирует высокую температуру перехода (Tc 47 K) из парамагнитной фазы в ферромагнитную. Теоретические расчеты из первых принципов, фотоэмиссионные измерения и сканирующая туннельная спектроскопия указывают на формирование запрещенной щели в конусе Дирака вблизи уровня Ферми. Выше температуры Кюри щель исчезает. Как показывает анализ, высокая температура Кюри достигается благодаря небольшому количеству атомов марганца в подрешетке Sb, что приводит к резкому усилению обменного взаимодействия в системе.
Выращенная система и проведенный анализ ее свойств представляет важный шаг на пути материальной реализации систем для изучения и реализации новых квантовых эффектов в материалах с увеличенной температурой.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [1]:
Wimmer S., Sánchez-Barriga J., Küppers P., Ney A., Schierle E., Freyse F., Caha O., Michalička J., Liebmann M., Primetzhofer D., Hoffman M., Ernst A., Otrokov M. M., Bihlmayer G., Weschke E., Lake B., Chulkov E. V., Morgenstern M., Bauer G., Springholz G., Rader O. Mn-rich MnSb2Te4: A topological insulator with magnetic gap closing at high Curie temperatures of 45-50 K// Advanced Materials. – 2021. – Vol. 33. – P. 2102935. Impact Factor = 30.849 https://doi.org/10.1002/adma.202102935

2. Предсказана новая серия магнитных топологических изоляторов (MnSb2Te4)•(Sb2Te3)n
Антиферромагнитные топологические изоляторы (AFMTI) могут обеспечить ряд экзотических квантовых явлений. Первым материалом, являющимся AFMTI было соединение MnBi2Te4. В следствие слоистой ван-дер-ваальсовой структуры и межслоевого AFM порядка, в 2D пределе MnBi2Te4, как было предсказано, будет демонстрировать необычный набор зависящих от толщины магнитных и топологических переходов, а именно переходы из FM в (не)компенсированные AFM фазы, а также квантово-аномальные состояния Холла (QAH) и состояния QAH с нулевым плато. Кроме того, данное соединение является родительским для большого семейства собственных магнитных топологических изоляторов, составляющих гомологический ряд ван-дер-ваальсовых соединений (MnBi2Te4)(Bi2Te3)n (n = 0,6). В настоящей работе, используя ab initio расчеты, мы предсказали существование нового родственного семейства магнитных топологических изоляторов (MnSb2Te4)·(Sb2Te3)n. В основном состоянии MnSb2Te4 (n = 0), MnSb4Te7 (n = 1) и MnSb6Te10 (n = 2) являются AFMTI. При n ≥ 3 (т.е. MnSb8Te13 и далее) образуется особая фаза магнитного топологического изолятора, в которой ниже критической температуры намагниченности 2D-ферромагнитно упорядоченных слоев Mn блоков MnSb2Te4 разупорядочиваются вдоль направления [0001]. Мы также показали, что приложение внешнего магнитного поля переводит MnSb2Te4 в полуметаллическую фазу Вейля, в то время как соединения с более высоким n становятся трехмерными ферромагнитными аксионными изоляторами. Наконец, в 2D-пределе пленки (MnSb2Te4)·(Sb2Te3)n демонстрируют множество топологически нетривиальных состояний, среди которых есть собственный аксион и квантовые аномальные холловские изоляторы, а также квантовое состояние Холла, которое может быть достигнуто с помощью внешнего магнитного поля.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [2]:
Eremeev S.V., Rusinov I.P., Koroteev Yu.M., Vyazovskaya A.Yu., Hofmann M., Echenique P.M., Ernst A., Otrokov M.M., Chulkov E.V. Topological magnetic materials of the (MnSb2Te4)(Sb2Te3)n van der Waals compounds family// Journal of Physical Chemistry Letters. – 2021. – Vol.12. – P. 4268−4277. Impact Factor = 6.475
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c00875

3. Синтезирован новый магнитный топологический изолятор MnBi0.5Sb1.5Te4.
В рамках работ по проекту был успешно синтезирован новый слоистый магнитный топологический изолятор состава со стехиометрией MnBi0.5Sb1.5Te4 и исследованы особенности его электронной структуры, а также детально исследована электропроводность синтезированных образцов в плоскости слоев и в направлении перпендикулярном слоям в области температур от 1.4К до 300 K.
В результате исследований анизотропии электропроводности образцов MnBi0.5Sb1.5Te4 был выявлен одинаковый механизм переноса заряда в плоскости слоев и в направлении, перпендикулярном слоям, во всей области измеряемых температур. Было обнаружено, что в обоих направлениях в интервале температур 50−300 K наблюдается ”металлический“ характер температурной зависимости удельного сопротивления ρ(T). Ниже температуры T = 50 K величина ρ возрастает и демонстрирует нетривиальную температурную зависимость с особенностью в области критической температуры Tc = 23 K. Возрастание сопротивления в температурном интервале 50−23 K обусловлено спиновыми флуктуациями и магнитным фазовым переходом. Ниже температуры 23 K и вплоть до 1.4 K возрастание сопротивления обусловлено эффектом слабой локализации, что подтверждается анализом данных, полученных при исследовании влияния внешнего магнитного поля на электропроводность.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [3]:
Абдуллаев Н.А., Алигулиева Х.В., Зверев В.Н., Алиев З.С., Амирасланов И.Р., Бабанлы М.Б., Джахангирли З.А., Алиева Е.Н., Ахмедова Х.Н., Мамедов Т.Г., Отроков M.M., Шикин А.М., Мамедов Н.Т., Чулков E.В. Механизм переноса заряда в новом магнитном топологическом изоляторе MnBi0.5Sb1.5Te4// Физика твердого тела. – 2021. – Т. 63(8) . – P. 1062. Impact Factor = 0.950 https://doi.org/10.21883/FTT.2021.08.51154.085

4. Проведено исследование магнитной и электронной структуры топологических изоляторов типа (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m.
В рамках проекта исследована магнитная и электронная структура соединения MnBi14Te22 (m=6). Данный материал характеризуется слоистой блочной структурой, состоящей из чередующихся 6 пятислойных Bi2Te3 и 1 семислойного MnBi2Te4 блоков. Вследствие удаленности семислойных блоков друг от друга обменное взаимодействие между ними практически отсутствует, таким образом магнитная структура системы представляет собой набор 2D ферромагнетиков, невзаимодействующих друг с другом.
Проведены измерения магнитных свойств для MnBi14Te22 в поле, приложенном перпендикулярно поверхности образца. На кривых M(H) при низких температурах ярко выражена петля гистерезиса, которая пропадает при температурах выше ~10 К. На графике восприимчивости от температуры при маленьких приложенных полях (50 Oe) можно определить температуру Кюри вблизи 12 К, причем при понижении температуры также видно расщепление кривых Field-cooled and zero-field-cooled, что говорит о метамагнитном состоянии и о возможном состоянии спинового стекла в материале.

5. Изучено влияние эффекта Яна-Теллера на теоретическое описание магнитной и электронной структуры Cr-содержащих собственных магнитных топологических изоляторов.
Изоляторы, сочетающие в себе нетривиальную зонную топологию и магнетизм являются объектами интенсивных исследования уже более десяти лет. Это обусловлено тем, что нарушение симметрии обращения времени в таких системах приводит к возникновению ряда перспективных состояний вещества и важных физических эффектов.
В данной работе рассматриваются электронные и магнитные свойства соединений CrBi2Se4, CrBi2Te2Se2 и CrBi2Te4. Показано, что в этих соединениях наблюдается эффект Яна-Теллера (ЭЯТ) — снятие орбитального вырождения, приводящее к понижению симметрии системы и структурным дисторсиям. Обнаружено, что учет дисторсий Яна-Теллера (ЯТ) критически важен для описания магнитной и электронной структуры данных соединений.
Полученные результаты показывают, что наиболее выгодными являются дисторсии типа тример. Величина смещения, соответствующая минимуму энергии, составляет от ~ 2 % до ~ 3 % параметра решетки в зависимости от соединения. Учет тример дисторсий оказывает значительно влияния на магнитную структуру данных соединений. Так, в соединении CrBi2Te4 учет дисторсий приводит к изменению типа магнитной анизотропии с легкой оси на легкую плоскости (0001). Учет дисторсий не приводит к изменению типа магнитного упорядочения – оно является ферромагнитным вне зависимости от учета дисторсий. Наиболее заметные изменения происходят в зонной структуре. Так, в идеальной ромбоэдрической структуре данные соединения являются полуметаллами, в то время как с учетом дисторсий — полупроводниками с энергетической щелью от 10 до 200 мэВ. В случае CrBi2Te2Se2 и CrBi2Te4 энергетическая щель инвертирована, что подтверждается наличием топологических поверхностных состояний.
Результаты данных исследований в рамках проекта опубликованы в статье [4]:
Petrov E. K., Ernst A., Menshchikova T. V., Chulkov E. V. Intrinsic Magnetic Topological Insulator State Induced by Jahn-Teller Effect// Journal of Physical Chemistry Letters. – 2021. – Vol. 12. – P. 9076−9085. Impact Factor = 6.475 https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c02396

6. Исследование электронной структуры собственного антиферромагнитного топологического изолятора MnBi2Te4 и анализ величины энергетической щели в точке Дирака.
Недавно открытый собственный антиферромагнитный топологический изолятор MnBi2Te4 представляет собой перспективную платформу для реализации квантового аномального эффекта Холла и ряда связанных с ним явлений при повышенных температурах. Одной из важных характеристик, делающих этот материал привлекательным в качестве основы для практического использования, – это предсказанное теоретически наличие аномально большой энергетической запрещенной зоны (щели) в структуре топологических состояний, открываемой в точке Дирака магнитным взаимодействием. При этом экспериментальные исследования показывают, что величина энергетической щели в точке Дирака может изменяться в широком диапазоне, включая безщелевую дисперсию топологических состояний. В рамках работы по проекту методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением была изучена дисперсия топологических состояний и соответствующая величина энергетической щели в точке Дирака для различных образцов (15шт) MnBi2Te4, выращенных двумя разными группами химиков. На основе тщательного анализа измеренных дисперсионных зависимостей топологических состояний и кривых распределения электронов по энергии были измерены различные размеры энергетических щелей в точке Дирака для различных образцов в диапазоне между 15 и 65 мэВ. Измерения проводились при температуре ниже температуры Нееля в диапазоне 10-16 К.
Проведены измерения для различных образцов, характеризующихся различными величинами энергетической щели (большой, средней и малой), открываемой в точке Дирака. Показаны изменения в дисперсионных зависимостях, профили плотности электронных состояний в точке Г с соответствующими разложениями на спектральные составляющие, показывающие величину открываемой энергетической щели и зависимость расщепления между состояниями верхней и нижней частями конуса Дирака вне точки Г в зависимости от величины волнового вектора (kII). Измерена вариация величины энергетической щели в точке Дирака для всех измеренных образцов MnBi2Te4, которая показывает возможность изменения величины энергетической щели в пределах от 15 до 65 мэВ. При этом примерно у половины исследованных образцов была измерена энергетическая щель порядка 30 мэВ, в то время как для четверти образцов величины измеряемых энергетических щелей находились в диапазоне от 50 до 60 мэВ. У некоторых образцов величина энергетической была меньше 21 мэВ. Результаты, полученные на образцах из обеих групп согласуются друг с другом. Для анализа возможных факторов, ответственных за вариацию энергетической щели в точке Дирака в рамках работ по проекту были проведены теоретические расчеты электронной структуры топологических состояний и величины энергетической щели, открываемой в точке Дирака, исходя из теории функционала плотности, и их изменений при приложении перпендикулярно поверхности электрического поля варьируемой напряженности и противоположного направления. Аналогичные расчеты были также проведены для избыточного заряда различной величины и знака, локализованного на поверхности, который может возникать вследствие аккумуляции различных дефектов донорного или акцепторного типа в приповерхностной области. Исследованы изменения электронной и спиновой структуры топологических состояний для out-of-plane и in-plane спиновой ориентации и соответствующие изменения величины энергетической щели, открываемой в точке Дирака, в зависимости величины и знака заряда, локализованного на поверхности образца или соответствующей величины и знака градиента поверхностного потенциала.
В результате исследований было показано, что величина энергетической щели, открываемой в точке Дирака, может сильно варьироваться исходя из величины и знака заряда на поверхности, от максимально возможной величины (вплоть до 80-90 мэВ) и вплоть до минимальной величины, близкой к нулевому значению. Это позволило сделать вывод, что одним из факторов, ответственных за вариацию величины щели, может являться аккумуляция дефектов вблизи поверхности. Расчеты показывают, что нескомпенсированный поверхностный заряд, может возникать из-за наличия структурных дефектов на поверхности MnBi2Te4, что может способствовать существенному уменьшению величины щели в точке Дирака, наблюдаемой в некоторых образцах. При этом тип дефектов и их концентрация и определяет вариацию величины энергетической щели для различных образцов.
Дополнительно была продемонстрирована возможность модуляции величины энергетической щели в точке Дирака приложенным перпендикулярно поверхности электрическим полем различного направления и варьируемой напряженности. С практической точки зрения это может быть использовано для настройки величины щели, открываемой в точке Дирака, и может позволить переключать состояние квантового аномального эффекта Холла (включение/выключение) или аксионного изолятора в тонких слоях MnBi2Te4 при приложении электрического поля.
Результаты исследований в данном направлении опубликованы в статье [5]:
Shikin A. M., Estyunin D. A., Zaitsev N. L., Glazkova D., Klimovskikh I. I., Filnov S., Rybkin A. G., Schwier E. F., Kumar S., Kimura A., Mamedov N., Aliev Z., Babanly M. B., Kokh K., Tereshchenko O. E., Otrokov M. M., Chulkov E. V., Zvezdin K. A., Zvezdin A. K. Sample-dependent Dirac-point gap in MnBi2Te4 and its response to applied surface charge: A combined photoemission and ab initio study// Phys. Rev. B. – 2021. – Vol. 104. – P. 115168. Impact Factor = 4.036 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.115168

Исследование низко энергетических возбуждений в магнитных топологических изоляторах (МТИ) является важнейшей задачей для понимания механизмов этих возбуждений и предсказания новых материалов с целю реализации квантового аномального эффекта Холла, квантованного магнето-электрического эффекта и аксионной фазы в МТИ. В данной работе методом спектроскопии в инфракрасном диапазоне изучались низко энергетические возбуждения в антиферромагнитном топологическом изоляторе MnBi2Te4. Была измерена запрещенная щель в объемном электронном спектре MnBi2Te4 как ниже так и выше температуры антиферромагнитного перехода, а так же энергии возбуждения плазмонов.
Результаты работы могут широко использоваться для понимания оптических возбуждения в объеме магнитных топологических изоляторов.
Результаты данных исследований в рамках проекта опубликованы в статье [6]:
Xu B., Zhang Y., Alizade E. H., Jahangirli Z. A., Lyzwa F., Sheveleva E., Marsik P., Li Y. K., Yao Y. G., Wang Z. W., Shen B., Dai Y. M., Kataev V., Otrokov M. M., Chulkov E. V., Mamedov N. T., Bernhard C. Infrared study of the multiband low-energy excitations of the topological antiferromagnet MnBi2Te4// Phys. Rev. B. – 2021. – Vol. 103. – P. L121103. Impact Factor = 4.036 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L121103

7. Проведено теоретическое исследование эффекта доменных стенок в магнитных топологических изоляторах на электронную и магнитную структуру.
В рамках проекта были изучены магнитные свойства и электронный спектр объма и поверхностей ряда магнитных полупроводниковых соединений MnBi2Te2Se2, VBi2Se4, VBi2Te4, VBi2Te2Se2, VSb2Te4 и VSb2Te2Se2 на основе первопринципных и модельных расчётов. Было показано, что соединения являются межслоевыми антиферромагнетиками с магнитными моментами, направленными в плоскости. Рассмотрение параметров обменных взаимодействий с последующими вычислениями в рамках метода Монте-Карло свидетельствует о более высокой критической температуре магнитного перехода для соединений, содержащих ванадий (~70-90 K) по сравнению с аналогами, содержащими марганец (~18-26 K). Расчитанные спектры электронных состояний показали, что повышение температуры перехода связано с более значительной гибридизацией Bi(Sb), Te(Se) p-состояний c V d-орбиталями ванадия по сравнению с d-орбиталями Mn.
Электронный спектр вблизи уровня Ферми характеризуется инвертированием краёв запрещённой щели между p-состояниями Bi(Sb) и Te (Se). Прямой расчёт топологических Z2 инвариантов подтвердил, что соединения MnBi2Te2Se2, VBi2Te2Se2, VBi2Te4 и VSb2Te4 являются магнитными топологическими изоляторами. При уменьшении вклада спин-орбитального взаимодействия для данного ряда соединений запрещённой щель уменьшается, что также подтверждает топологический характер объёмной электронной структуры.
Электронный спектр поверхности (0001) топологических MnBi2Te2Se2, VBi2Te2Se2, VBi2Te4 и VSb2Te4 характеризуется наличием безщелевых поверхностных топологических состояний, которые защищены зеркальной симметрией с точкой Дирака смещённой с центра зоны Бриллюэна. За счёт данной особенностей в спектре возможно образование дополнительных низкоразмерных фермионов. Так, в рамках данной работы теоретически было предсказано наличие плоской зоны, локализованной в области магнитных доменных стенок на поверхности данных соединений. Данная зона является поляризованной по спину с направлением спинового момента вне плоскости. При индуцировании магнитного момента вне плоскости на поверхности возникает дисперсия данных одномерных состояний. Приложение данных состояний возможно в приборах с эффектами топологической сверхпроводимости.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [7]:
Petrov E. K., Men’shov V. N., Rusinov I. P., Hoffmann M., Ernst A., Otrokov M. M., Dugaev V. K., Menshchikova T. V., Chulkov E. V. Domain wall induced spin-polarized flat bands in antiferromagnetic topological insulators// Phys. Rev. B. – 2021. – Vol. 103. – P. 235142. Impact Factor = 4.036 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.235142

В рамках работ по проекту проведено теоретическое исследование электронных состояний, порождаемыми магнитными доменными стенками на поверхности трехмерных топологических изоляторов (ТИ). Анализ проведён на основе модельного гамильтониана для квазирелятивистских фермионов в обменном поле, комбинируя приближение огибающей волновой функции и численные вычисления методом сильной связи. Развитый подход применим для ТИ, обладающих собственным магнитным порядком или намагниченностью, наведённой за счёт эффекта магнитной близости, а также для ТИ, допированных магнитными атомами. Рассмотрены магнитные доменные стенки с различными векторными и пространственными текстурами (изинговского, неелевского и блоховского типа) и для различных направлений оси магнитной анизотропии. Показано, что помимо модуляции поверхностной обменной щели и смещения двумерного дираковского конуса в импульсном пространстве доменная стенка порождает связанное одномерное состояние. Такое состояние обладает свойством киральности, его возникновение имеет топологическую причину. Описаны основные характеристики связанного состояния, такие как энергетический спектр, спиновая поляризация и пространственная локализация, и их зависимость от текстуры намагниченности. В случае планарной антифазной доменной стенки предсказана реализация бездисперсионного состояния с абсолютно плоской зоной в середине локальной щели и спиновой поляризацией вдоль нормали к поверхности. Рассмотрен пример электронной зонной структуры поверхности магнитного ТИ, содержащей антифазную доменную стенку. Мультидоменная текстура поверхностной намагниченности моделируется как периодический ряд доменных стенок. В мультидоменном случае описана модификация зонной структуры поверхностных состояний магнитного ТИ с изменением расстояния между доменными стенками. В свете полученных в работе результатов обсуждаются данные транспортных измерений на тонких плёнках Crx(Bi,Sb)2-xTe3 и спектроскопические эксперименты на образцах собственного антиферромагнитного ТИ MnBi2Te4. Полученные результаты позволяют значительно углубить понимание взаимосвязи между топологической зонной структурой и магнитным порядком, которая лежит в основе новых магнетотранспортных явлений, связанных с квантованием проводимости.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [8]:
Rusinov I. P., Men'shov V. N., Chulkov E. V. Spectral features of magnetic domain walls on the surface of three-dimensional topological insulators// Phys. Rev. B. – 2021. – Vol. 104. – P. 035411. Impact Factor = 4.036 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.035411

8. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование топологического изолятора, допированного атомами Ag.
Проблема допирования топологических изоляторов (ТИ) различными атомами (атомами благородных металлов, магнитными атомами 3d ряда и 4f элементов и другими) связана с тем что примесные атомы в зависимости от их природы и количества могут сильно влиять на свойства ТИ. Например, допирование Bi2Se3 атомами Cu приводит к появлению сверхпроводящего состояния без потери топологической фазы материала. Допирование Bi2Te3 атомами V или Mn приводит к формированию щели в конусе Дирака и, соответственно к появлению фазы квантового аномального эффекта Холла.
В данной работе исследуются возможности допирования Bi2Se3 атомами Ag без потери топологической фазы. Изучение кристаллической и электронной структуры допированного материала проводится методами сканирующей туннельной микроскопии, фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, а также с использованием расчетов из первых принципов. Было показано что соответствующее допирование вплоть до больших концентраций Ag не влияет на топологическую фазу Bi2Se3 несмотря на глубокое проникновение атомов Ag.
Полученные результаты и сопровождающий их анализ углубляют понимание взаимосвязи между топологической природой материала и его структурными дефектами, что позволяет создавать новые слоисты топологические материалы с новыми функциональными возможностями.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [9]:
Ye M., Kuroda K., Otrokov M. M., Ryabishchenkova A. G., Jiang Q., Ernst A., Chulkov E. V., Nakatake M., Arita M., Okuda T., Matsushita T., Tóth L., Daimon H., Shimada K., Ueda Y., Kimura A. Persistence of the Topological Surface States in Bi2Se3 against Ag Intercalation at Room Temperature// J. Phys. Chem. C. – 2021. – Vol. 125(3). – P. 1784–1792. Impact Factor = 4.126 https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c07462

9. Синтезированы и исследованы гетеропереходы на основе графеновых нанолент для создания GNR датчика.
Латеральные гетеропереходы на основе графеновых нанолент (GNR) перспективны для применения в наноэлектронике, но их транспортные характеристики, как и большинство других свойств, до недавнего времени оставались неисследованными. В нашей работе продемонстрирован синтез слоя моноатомной толщины, состоящего из множества квазиметаллических и полупроводниковых GNR, соединенных между собой в хорошо ориентированные гетеропереходы. Структура, свойства и транспортные характеристики гетеропереходов изучались с помощью сканирующей туннельной микроскопии, фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, рамановской спектроскопии и измерений проводимости.
Работы, выполнявшиеся в СПбГУ, заключались в проведении расчетов зонной структуры валентных состояний исходных нанолент 7-AGNR и 14-AGNR, а также аналогичных структур с адсорбированным на их поверхность литием в различных концентрациях. Помимо этого, нами проведено моделирование интенсивности фотоэлектронных спектров нанолент различной ширины. Эти расчеты имеют ключевое значение для выбора оптимальной геометрии измерений, а также для корректной интерпретации данных фотоэмиссии с угловым разрешением (ARPES), поскольку сечение фотоэмиссии из различных валентных подзон радикально зависит от условий измерений. Результаты измерений методом ARPES, демонстрируют хорошее согласие с результатами расчетов электронной структуры и моделированием спектральной интенсивности. Это подтверждает хорошее соответствие между модельной и реальной структурой нанолент и указывает на высокое качество и упорядоченность исследованного массива GNR. Моделирование интенсивности фотоэмиссии дало возможность однозначно определить вклады от участков нанолент шириной 7 и 14 атомов в спектральной карте ARPES. Полученные результаты создали надежную основу для интерпретации спектроскопических данных и последующих измерений транспортных свойств.
Последующие измерения транспортных характеристик в зависимости от напряжения смещения и затвора, температуры и длины канала показали, что транспорт заряда происходит посредством туннелирования через потенциальные барьеры, сформированные полупроводниковыми сегментами нанолент шириной 7 атомов. Измеренные вольт-амперные характеристики хорошо согласуются с расчетами туннельной проводимости через асимметричные барьеры. В работе показана возможность изготовления на основе гетеропереходов GNR датчика, чувствительного к некоторым адсорбатам за счет их влияния на туннельный ток.
По результатам работы опубликована статья в журнале Nature Communications [10]:
Senkovskiy B. V., Nenashev A. V., Alavi S. K., Falke Y., Hell M., Bampoulis P., Rybkovskiy D. V., Usachov D. Yu., Fedorov A. V., Chernov A. I., Gebhard F., Meerholz K., Hertel D., Arita M., Okuda T., Miyamoto K., Shimada K., Fischer F. R., Michely T., Baranovskii S. D., Lindfors K., Szkopek T., Grüneis A. Tunneling current modulation in atomically precise graphene nanoribbon heterojunctions// Nature Communications. – 2021. – Vol. 12. – N. 2542. Impact Factor = 14.919 https://doi.org/10.1038/s41467-021-22774-0

10. Проведены исследования квазисвободного графена, полученного в результате интеркаляции атомов кобальта под буферный слой на SiC(0001).
В рамках проекта исследована модификация электронной энергетической и кристаллической структуры буферного (нулевого) слоя графена, синтезированного на подложке 6H-SiC(0001), при интеркаляции атомов кобальта.
Известно, что термическая графитизация карбида кремния (SiC) в условиях сверхвысокого вакуума приводит к формированию графеновых слоев на его поверхности. При этом в ходе такого процесса графитизации формированию графенового монослоя предшествуют несколько стадий реконструкции поверхности, одна из них – это (6√3×6√3)R30o или буферный (нулевой) слой графена. Буферный слой представляет собой углеродный слой с графеноподобным гексагональным расположением атомов, однако 1/3 его атомов углерода оказываются связаны ковалентной связью с атомами Si подложки. В результате, в электронной структуре буферного слоя отсутствует линейная дисперсионная зависимость π состояний, характерная для конуса Дирака в графене.
В работе была отработана технология синтеза буферного слоя графена на подложке 6H-SiC(0001). Обнаружено, что для синтеза буферного слоя достаточно одностадийного высокотемпературного отжига поверхности SiC при температуре 1150оС с предварительным обезгаживанием образца. Результаты LEED, XPS и ARPES подтверждают образование буферного слоя с характерными фотоэлектронными спектрами валентной зоны и внутренних уровней и дифракционной картиной структуры поверхности. Электронная структура буферного слоя на SiC исследовалась методом ARPES в широком диапазоне энергий связи и импульсов. Теоретические расчеты, проведенные в рамках теории функционала плотности, показывают хорошее соответствие основных особенностей электронной структуры, наблюдаемых в теоретических и экспериментальных ARPES исследованиях.
Изучение методов функционализации буферного слоя графена на подложке SiC является перспективным направлением исследования графен-содержащих систем, так как позволит создавать слоистые структуры на основе монослоя графена поверх полупроводниковой подложки и придавать им уникальные свойства. Интеркаляция магнитных металлов под буферный слой графена позволит создавать однослойные графеновые покрытия на интеркаляте магнитного металла. Поэтому интерес научного сообщества сосредоточен на интенсивных исследованиях интеркаляции различных металлов под нулевой слой графена на SiC.
Используя широкий спектр экспериментальных методов, включая фотоэлектронную спектроскопию с угловым разрешением, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния света, в данной работе было показано, что в результате интеркаляции кобальта буферный слой на SiC трансформируется в монослой графена. В электронной структуре в области точки К зоны Бриллюэна наблюдается конус Дирака π электронных состояний, характерный для квазисвободного графена. В сочетании с данными просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и атомно-силовой микроскопии в работе продемонстрировано, что в результате интеркаляции кобальта между графеном и подложкой SiC образуется ультратонкая силицидная структура CoSi/CoSi2. Исследование магнитных свойств полученной системы показывает ферромагнитное поведение с магнитным моментом в плоскости поверхности с открытой петлей гистерезиса и коэрцитивной силой до 180 Э.
Таким образом, в настоящей работе синтезирован квазисвободный графен, контактирующий с магнитной подложкой, и сохраняющий при этом электронную структуру в виде конуса Дирака в области точки К. Этот вывод подтверждается расчетами зонной структуры методом DFT. Полученные результаты являются основой для дальнейшей реализации магнитно-спин-орбитального графена на полупроводниковой подложке и являются важными для будущего применения графена в спинтронике.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [11]:
Rybkina A. A., Filnov S. O., Tarasov A. V., Danilov D. V., Likholetova M. V., Voroshnin V. Yu., Pudikov D. A., Glazkova D. A., Eryzhenkov A. V., Eliseyev I. A., Davydov V. Yu., Shikin A. M., Rybkin A. G. Quasi-freestanding graphene on SiC(0001) via cobalt intercalation of zero-layer graphene// Phys. Rev. B. – 2021. – Vol. 104. – P. 155423. Impact Factor = 4.036
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.155423

11. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование ферримагнитного графена.
Исследованы особенности электронной и спиновой структуры графена на поверхности (монослой Au)/Co(0001). В рамках теории функционала плотности (метод присоединенных плоских волн полного потенциала + локальных орбиталей) изучено влияние петлевых дислокаций интерфейса Au-Co в передаче обменного взаимодействия на графен. Петлевая дислокация, сформированная извлечением шести атомов кобальта, отмечена затемненной областью, при этом, узловые атомы золота в петлевой дислокации находятся ближе к слою кобальта.
Проведен расчет зон со спиновой поляризацией в окрестностях противоположных К и K’ точек зоны Бриллюэна. Наблюдается запрещенная зона в точке Дирака графена и асимметричная спиновая структура (расщепление) в противоположных К и K’ точках. Следует отметить, что слои золота и графена намагничены антиферромагнитно по отношению к слою кобальта. Суммарный магнитный момент на графене обуславливает обменное расщепление π состояний, а противоположная намагниченность (ферримагнетизм) на A и B подрешетках графена – появление запрещенной зоны в точке Дирака. Таким образом, реконструкция интерфейса (монослой Au)/Co(0001), состоящая из периодических петлевых дислокаций, играет ключевую роль в передаче обменного взаимодействия на графен и формировании запрещенной зоны в точке Дирака.
По результатам работы в данном направлении готовится статья для публикации в журнале Physical Review Letters.

12. Изучена модификация конуса Дирака графена на Re(0001) при интеркаляции атомов Bi и O.
С целью изучения влияния эффектов спин-орбитального взаимодействия на графен при взаимодействии с тяжелыми металлами была синтезирована и изучена система графен/Re(0001) с интеркаляцией атомов Bi. Электронная структура сформированных систем была исследована с помощью метода фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением.
Электронная структура чистого монокристалла Re(0001) вблизи уровня Ферми характеризуется набором 5d-состояний. После синтеза графена в электронной структуре появляются π-состояния, но система не имеет конуса Дирака, а π-состояние в K-точке зоны Бриллюэна сильно гибридизовано с состояниями рения и его трудно увидеть в спектре. После интеркаляции атомов Bi электронная структура графена системы на Re (0001) существенно меняется. В этом случае π-состояния графена имеют почти линейную дисперсию. Точка Дирака смещается в сторону более высокой энергии связи примерно на 0,4 эВ, что обусловлено переносом заряда от атомов Bi на графен. Помимо этого, в спектрах наблюдается запрещенная зона шириной не менее 0,4 эВ, что можно объяснить гибридизацией π-состояний графена с 5d-состояниями рения и / или висмута, а также индуцированным спин-орбитальным взаимодействием в графене.
С целью изучения влияния атмосферы на графен-содержащую систему образец был выдержан на воздухе, что привело к внедрению атомов кислорода под слой графена. Из-за этого возникает еще один конус Дирака, который соответствует смещенному π-состоянию графена. В результате в фотоэлектронном спектре наблюдаются два конуса Дирака: первый относится к той части графена, которая расположена над атомами висмута, а второй – над атомам кислорода. Первый конус смещается в сторону более высоких энергий связи (n-допинг) за счет переноса заряда с атомов углерода на атомы висмута. При этом второй конус смещается выше уровня Ферми (p-допинг) из-за переноса заряда от атомов углерода к атомам кислорода.
На основании наших данных можно сделать вывод, что интеркаляция атомов Bi восстанавливает квазисвободный характер графена на Re(0001). В результате интеркаляции графен переходит из сильно связанного состояния в квазисвободное состояние, и π-состояние графена вблизи уровня Ферми оказывается смещенным в сторону более высоких энергий связи. Более того, показано, что за счет внедрения атомов Bi и/или O под графен на Re (0001) можно управлять носителями заряда графена (p-типа и n-типа), а также запрещенной зоной в точке Дирака.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [12]:
Gogina A. A., Klimovskikh I. I., Estyunin D. A., Filnov S. O., Shikin A. M. Dirac Cone Manipulation via Bismuth and Oxygen Intercalation Underneath Graphene on Re(0001) // AIP Conference Proceedings. – 2021. – Vol. 2359. – P. 020008. Impact Factor = 0.4

13. Проведены исследования электронной структуры и изучен механизм обменного взаимодействия в магнитоупорядоченных полупроводниковых материалах EuX (X = O, S, Se, Те).
Для успешного развития спинтроники, в устройствах которой контролируется не только ток носителаей заряда но и их спиновое состояние, необходимы разработки интеллектуальных магнитных материалов, многослойных систем и сверхрешеток на их основе, включая новейшие магнитные топологические системы. Перспективным предполагается использование в структурах подобного типа ферромагнитных, полупроводниковых систем. В этой связи, активно создаются и исследуются материалы на основе таких классических магнитных полупроводников как халькогениды европия EuX (X = O, S, Se, и Те), обладающих кристаллической структурой каменной соли и магнитоактивным двухвалетным ионом европия (L=0, S=7/2, J=7/2). С точки зрения магнетизма, халькогенид европия представляет собой систему локализованных магнитных моментов Eu 4f, обменное магнитное взаимодействие которых определяет магнитные свойства материала, и хорошо моделируется классическим Гейзенберговским гамильтонианом.
Несмотря на то, что халькогениды европия были открыты еще в начале 60х годов, надежная информация об их электронной структуре, ее модификации при переходе в магнитоупорядоченное состояние материала, а также механизме обменного взаимодействия локализованных моментов Eu 4f, его теоретического описания и определение критической температуры перехода, фактически отсутствует. Тем не менее, такая информация чрезвычайно необходима для разработки новейших интеллектуальных материалов с участием магнитных топологических систем.
Все это и многое другое, было реализовано в настоящей работе нашего коллектива на примере классического ферромагнинтого полупроводника EuS, обладающего Tc=16.5K и шириной запрещенной зоны в 1.65 eV. Здесь, мы приводим надежные экспериментальные результаты, полученные методом фотоэлектрнной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) на установках класса мегасайнс «One cubed ARPES» и “BLOCH” в центрах синтхротронного излучения BESSY-II (Берлин, Германия) и MAX-IV (Лунд, Швеция). Синтез высококлассных образцов монокристаллов EuS и их детальная характеризация были проведены специально для наших экспериментов в группе профессора К.Крельнера (Университет имени Гете, г. Франкфурт на Майне), стратегическим партнером нашего коллектива.
Проводя температурно-зависимые ARPES измерения вплоть до 1K, удалось проследить изменения электронной структуры валентной зоны EuS при переходе в ферромагнитное состояние. Были получены яркие спектральные картины зонной структуры, которые помогли выявить гибридные состояния Eu 4f – S 3p, а также отследить спиновое расщепление зон, обусловленное обменным взаимодействием. Надежные экспериментальные данные позволили провести анализ зонной структуры EuS с помощью расчетов из первых принципов, объяснить ее модификацию, вызванную ферромагнитным переходом, провести моделирование по методу «спинового разупорядочения», и теоретически оценить температуру перехода. Полученные результаты позволили окончательно объяснить механизм обменного взаимодействия в EuS. Следует особо отметить, что предложенный подход и выводы можно использовать и по отношению к остальным представителям яркого семейства магнитоупорядоченных полупроводниковых материалов EuX.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [13]:
Fedorov A.V., Poelchen G., Eremeev S.V., Schulz S., Generalov A., Polley C., Laubschat C., Kliemt K., Kaya N., Krellner C., Chulkov E.V., Kummer K., Usachov D. Yu., Ernst A., Vyalikh D.V. Insight into the Temperature Evolution of Electronic Structure and Mechanism of Exchange Interaction in EuS// Journal of Physical Chemistry Letters. – 2021. – Vol. 12 (34). – P. 8328–8334. Impact Factor = 6.475 https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c02274

14. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование электронной структуры поверхностных состояний в материалах класса RET2Si2 (RE и T атомы редкоземельного и переходного металла).
Семейство сильнокоррелированных редкоземельных материалов, обладающих слоистой, тетрагональной структурой RET2Si2 (где RE и T атомы редкоземельного и переходного металла) демонстрирует широкий спектр необычных свойств, таких как Кондо эффект, нетрадиционная сверхпроводимость, экзотические магнитные фазы, смешанная валентность и многие другие, что делает их прекрасной платформой для систематичного и детального изучения подобных явлений не только в объеме материала, но и на его поверхности.
Методически и систематически исследуя электронную и магнитную структуру приповерхностной области таких систем, мы пришли к слоистому антиферромагнетику GdIr2Si2. Основываясь на нашем опыте, мы предположили, что поверхность силицида иридия этого материала, которая включает в себя четырехслойный блок Si-Ir-Si-Gd, представляет собой идеальную систему для изучения спин-орбитального эффекта Рашбы в комбинации с обменным магнетизмом.
В нашей недавней работе по фотоэмиссионному исследованию антиферромагнетика TbRh2Si2 [14] было обнаружено, что некоторые из поверхностных состояний внутри поверхностного блока Si-Rh-Si-Tb демонстрируют спиновую структуру с тройным вращением спина электрона при однократном обходе изоэнергетического контура состояний в k-пространстве, что, как мы выяснили, объясняется редким и экзотическим явлением, так называемым кубическим эффектом Рашбы. Тогда интересным оказывается случай, когда подобный эффект сочетается с сильным магнитным обменным взаимодействием, которое может быть индуцировано, например упорядоченными магнитными моментами 4f атомов Gd. Мы пришли к выводу, что подобный сценарий может быть реализован на силицидной поверхности, антиферромагнетика GdIr2Si2 с TN = 86 K.
В настоящей работе подробно продемонстрировано, каким образом сочетание сильного спин-орбитального взаимодействия Рашбы и одновременно обменного магнитного взаимодействия влияет на свойства двумерных электронных состояний в силицидных нанообъектах, которые активно используются в современной электронике и важны для будущих применений в спинтронике.
В рамках работы получены результаты экспериментального исследования кристаллов GdIr2Si2 методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES), а также результаты расчетов зонной структуры этого материала из первых принципов. На силицидной поверхности, мы обнаружили два принципиально различных поверхностных состояния. Первое из них локализовано на самых верхних атомных слоях (Si-Ir) системы и его спиновая структура описывается классическим (линейным) эффектом Рашбы. Второе состояние располагается во всем поверхностном четырехслойном блоке (Si-Ir-Si-Gd) и его спиновая структура проявляет тройное вращение спина электрона и описывается кубическим эффектом Рашбы. Мы получили уникальные результаты, дающие нам возможность показать, каким образом модифицируется спиновая структура обоих поверхностных состояний при возникновении сильного обменного взаимодействия у поверхности, при появлении нескомпенсированного ферромагнитного слоя Gd в блоке Si-Ir-Si-Gd. Данное исследование показывает, каким образом можно управлять спинами двумерных электронов, используя классический и кубический эффекты Рашбы в сочетании с сильным обменным взаимодействием. Следует отметить, что обнаруженные магнитные эффекты происходят в четырехслойном, силицидном нанообъекте.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [15]:
Schulz S., Vyazovskaya A. Yu., Poelchen G., Generalov A., Güttler M., Mende M., Danzenbächer S., Otrokov M. M., Balasubramanian T., Polley C., Chulkov E. V., Laubschat C., Peters K., Kliemt K., Krellner C., Usachov D. Yu., Vyalikh D. V. Classical and cubic Rashba effect in the presence of in-plane 4f magnetism at the iridium silicide surface of the antiferromagnet GdIr2Si2// Phys. Rev. B. – 2021. – Vol. 103. – P. 035123. Impact Factor = 4.036 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.035123

15. Проведены исследования электронной структуры магнитного сверхпроводника RbEuFe4As4.
Недавно было открыто новое семейство сверхпроводящих пниктидов железа AAeFe4As4, где A = K, Rb, Cs и Ae = Ca, Sr, La, Eu. Эти магнитные соединения являются сверхпроводниками при стехиометрическом составе, без дополнительного допирования, необходимого в EuFe2As2. В настоящем исследовании было проведено изучение взаимозависимости Fe-SC и Eu-магнетизма в RbEuFe4As4 путем объединения экспериментальных измерений с теоретическими расчетами. Чтобы исследовать влияние Eu 4f-магнетизма на электронные состояния Fe 3d в окрестности уровня Ферми, мы провели расчеты зонной структуры в рамках DFT для нескольких типов упорядочения магнитного момента Eu: FM, AFM-упорядочение A-типа, аналогичное EuFe2As2 (AFM180), а также для геликоидальной AFM структуры (AFM90). Показано что независимо от магнитного упорядочения, зоны, образующие электронные М-карманы на уровне Ферми, почти полностью определяются орбиталями dxz (yz) Fe, тогда как зоны, образующие дырочные Г-карманы, определяются смесью различных Fe 3d-орбиталей. В то же время наши расчеты показали, что конфигурация AFM90 является наиболее выгодной. DFT расчеты подтверждают, что локализованные состояния 4f-состояния Eu, лежащие на 1,7 эВ ниже уровня Ферми не гибридизуются с коллективизированными 3d-состояниями Fe и, следовательно, не вносят прямого вклада в сверхпроводящее спаривание. Обе подсистемы Fe и Eu практически не связаны магнитно, поскольку 3d-зоны Fe и 4f-состояния Eu хорошо разделены по энергии, несмотря на структурную близость слоев Fe-As и Eu.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [16]:
Kim T. K., Pervakov K. S., Evtushinsky D.V., Jung S. W., Poelchen G., Kummer K., Vlasenko V. A., Sadakov A. V., Usoltsev A. S., Pudalov V. M., Roditchev D., Stolyarov V. S., Vyalikh D. V., Borisov V., Valentí R., Ernst A., Eremeev S. V., Chulkov E. V. Electronic structure and coexistence of superconductivity with magnetism in RbEuFe4As4// Phys. Rev. B. – 2021. – Vol. 103. – P. 174517. Impact Factor = 4.036 https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.103.174517

16. Разработана модель для описания фотоэмиссии с учетом магнитного упорядочения на примере спектров соединений лантаноидов.
В рамках проекта проводился анализ возможности получения информации о направлении магнитных моментов редкоземельных ионов вблизи поверхностей соединений лантаноидов на основе анализа матричного элемента фотоионизации открытой 4f оболочки. Разработана модель для описания фотоэмиссии с учетом магнитного упорядочения и возможного расщепления основного состояния в электрическом поле кристалла. Модель применена в анализе спектров фотоэмиссии с поверхности кристалла TbRh2Si2, образованной двумя терминациями - тербиевой и кремниевой. Результаты показывают что моменты Tb на кремниевой терминации сонаправлены с моментами в объеме кристалла, а на тербиевой терминации ориентируются в перпендикулярном направлении. Расчеты указывают что это связано с изменением кристаллического поля на поверхности. С учетом поверхностной чувствительности фотоэмиссии, разработанный подход позволяет анализировать направления моментов 4f оболочки в отдельных атомных слоях вблизи поверхности.
Результаты работы в данном направлении готовятся к публикации.

17. Теоретические и экспериментальные исследования акустического плазмона на поверхности Ni(111).
В данной работе исследуются как теоретически так и экспериментально акустический плазмон на поверхности Ni(111). Акустические поверхностные плазмоны (АПП), открытые В.М. Силкиным, Е.В. Чулковым и П.М. Эченике 15 лет назад широко исследовались в парамагнитных металлических системах как экспериментально методом неупругого рассеяния электронов низких энергий так и теоретически. Принципиально новыми элементами настоящего исследования являются два аспекта. 1)Впервые для обнаружения и анализа АПП использовался метод рассеяния химически неактивных атомов, а именно, He и Ne. Использование такой техники позволяет измерять с высокой точностью возбуждения в терагерцовом интервале энергий, недоступном при измерениях другими методами. 2)Впервые изучался материал, в котором коллективные возбуждения (плазмоны) измерялись в спин-поляризованной электронной подсистеме. Таковой является электронное состояние пересекающее уровень Ферми на поверхности Ni(111). Таким образом, обнаруженный плазмон является спин плазмоном. Т.е., такой плазмон представляет собой возбуждение электронной системы на поверхности характеризуемой только одним направлением спина.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [17]:
Benedek G., Bernasconi M., Campi D., Silkin I. V., Chernov I. P., Silkin V. M., Chulkov E. V., Echenique P. M., Toennies J. P., Anemone G., Al Taleb A., Miranda R., Farías D. Evidence for a spin acoustic surface plasmon from inelastic atom scattering// Scientific Reports. – 2021. – Vol. 11. – N. 1506. Impact Factor = 4.379 https://doi.org/10.1038/s41598-021-81018-9

18. Проведено исследование электрон-фононного взаимодействия в магнитном Вейлевском полуметалле ZrCo2Sn.
Электрон-фононное взаимодействие (ЭФВ) является одним из фундаментальных механизмов ответственных за сверхпроводимость во многих материалах и за транспортные свойства на поверхности металлов и в объеме. Это взаимодействие является ответственным за сверхпроводимость в ряде немагнитных топологических изоляторов. В данной работе впервые изучалось ЭФВ в смежном классе топологических материалов, а именно, в магнитном Вейлевском полуметалле ZrCo2Sn. Этот материал представляет собой металлическую систему для электронов с одним направлением спина и полупроводниковую - с противоположным направлением спина. В такой системе наблюдается несколько конусов Дирака, пересекающих уровень Ферми, с одним и тем же направлением спина. В данной работе теоретически детально изучена электронная и фононная структура ZrCo2Sn, а также ЭФВ в зависимости от волнового вектора и энергии электрона в Дираковском состоянии. Было показано, что константа ЭФВ в ZrCo2Sn подобна таковой в немагнитных топологических изоляторах, проявляющих сверхпроводимость. Продемонстрирована роль отдельных фононных состояний в формировании сверхпроводимости в ZrCo2Sn.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [18]: Sklyadneva I.Yu., Heid R., Echenique P. M., Chulkov E. V. Electron-phonon coupling in the magnetic Weyl semimetal ZrCo2Sn// Phys. Rev. B. – 2021. – Vol. 103. – P. 024303. Impact Factor = 4.036 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.024303

19. Проведено исследование температуры сверхпроводящего перехода в двумерной системе, состоящей из 2-х атомных слоев In на Si(111).
Исследование электрон-фононного взаимодействия (ЭФВ) и сверхпроводимости в низкоразмерных системах является актуальной задачей современных исследований. Это связано с тем, что такие системы можно легко использовать в многочисленных гетероструктурах, увеличивая тем самым разнообразие сверхпроводящих материалов и расширяя при этом функциональное многообразие с целью возможных практических применений. Важным аспектом в таких исследованиях является температура сверхпроводящего перехода в низкоразмерной, например двумерной, системе, которая была бы близка к соответствующей температуре в объемном материале. В настоящей работе была изучена ректангулярная система sqrt(7)xsqrt(3), состоящая из 2-х атомных слоев In на Si(111). На основе первопринципных расчетов электронной структуры, фононов и ЭФВ было показано, что вычисленная температура сверхпроводящего перехода в двумерной системе индия составляет 3.5 К, что близко к температуре соответствующего перехода 3.4 К в объемном индии. Таким образом, настоящие расчеты подтверждают предварительно сделанные эксперименты и объясняют механизм формирования сверхпроводимости в данной системе.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [19]:
Sklyadneva I. Yu., Heid R., Echenique P. M., Chulkov E. V. Electron–phonon interaction in In-induced sqrt{7}xsqrt{3} structures on Si(111) from first-principles// Phys. Chem. Chem. Phys. – 2021. – Vol. 23. – P. 7955-7960. Impact Factor = 3.676 https://doi.org/10.1039/D0CP05234E

20. Проведены исследования динамики носителей на Te-терминированной поверхности BiTeI.
Узкозонные полупроводники с сильной спин-орбитальной связью, такие как теллурогалогениды висмута, стали популярными кандидатами на применение в спинтронике. Но для возбуждения спин-поляризованных фототоков в этих материалах циркулярно поляризованным светом требуется пикосекундное время жизни фотовозбужденных носителей и низкие скорости рассеяния с переворотом спина. В поисках этих важных ингредиентов в рамках проекта было проведено исследование динамики носителей на Te-терминированной поверхности BiTeI, которая демонстрирует гигантское расщепление Рашбы как поверхностных, так и объемных состояний. Было выявлено сложное взаимодействие динамики поверхности и объема после фотовозбуждения. При этом носители быстро перестраиваются в импульсном пространстве за счет квазиупругого рассеяния фононов и дефектов, в то время как эффекты фононных взаимодействий типа «бутылочного горлышка» приводят к медленному уравновешиванию между объемными электронами и решеткой. Кроме того, баллистический перенос объемных носителей на поверхность в остаточном электростатическом поле положительно заряженной поверхности приводит к накоплению носителей заряда вокруг уровня Ферми, где они могут распадаться за счет поверхностной рекомбинации и электрон-фононного рассеяния. Дырочная динамика при больших энергиях связи показывает значительное влияние особенностей электронной структуры поверхностного состояния, обусловленных эффектами спинового расщепления Рашбы.
При температуре образца 60 К динамика возбужденных состояний определяется взаимодействием электронной системы с поверхностным плазмоном, что приводит к уменьшению времени затухания к дну зоны и увеличению к уровню Ферми. При комнатной температуре распад уже почти не зависит от энергии связи и, следовательно, в нем преобладают эффективное квазиупругое рассеяние и поверхностная рекомбинация. Полученные результаты показывают, что квазиупругое и неупругое рассеяние очень эффективно перераспределяют носители по расщепленным электронным состояниям. Это общее наблюдение, которое справедливо для проводящих систем с поверхностным и объемным состояниями, расщепленными по модели Рашбы. Рассеяние импульса и эмиссия плазмонов приводят к быстрому перераспределению носителей, уменьшая возможную оптически индуцированную спиновую поляризацию. Формируемые сверхбыстрые процессы рассеяния эффективно перераспределяют возбужденные носители в импульсном и энергетическом пространстве и тем самым подавляют спин-поляризованные фототоки. Таким образом, рассеяние носителей на оптических фононах и дефектах должно быть уменьшено, чтобы гарантировать потенциал материалов Рашбы в опто-спинтронных приложениях.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [20]:
Ketterl A. S., Andres B., Polverigiani M., Voroshnin V., Gahl C., Kokh K. A., Tereshchenko O. E., Chulkov E. V., Shikin A., Weinelt M. Effect of Rashba splitting on ultrafast carrier dynamics in BiTeI// Phys. Rev. B. – 2021. – Vol. 103. – P. 085406. Impact Factor = 4.036
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.085406

21. Проведено исследование магнитных и вибрационных свойств малых кластеров Cr на Cu(111)
Взаимодействие спиновых и колебательных степеней свободы играет центральную роль во многих интересных явлениях. Например, высокая степень взаимосвязи между магнитной структурой, колебаниями решетки и электронной проводимостью также обнаружена в NaOsO3 и h-FeS. Помимо трехмерных материалов, связь между спиновыми и колебательными степенями свободы также важна в недавно обнаруженном 2D-ферромагнетике Fe3GeTe2, где это приводит к аномальному смягчению фононов ниже TC и приводит к значительному увеличению восприимчивости к комбинационному рассеянию, активируя новые моды комбинационного рассеяния при низких температурах. В то же время об исследовании влияния магнитной конфигурации на колебательные свойства (и наоборот) малых адсорбированных магнитных кластеров до сих пор не сообщалось. В настоящей работе мы изучили корреляцию между атомной структурой, магнитными и колебательными свойствами малых кластеров хрома (Cr3 и Cr4) на Cu(111). Структура и магнитные свойства адсорбированных малых кластеров были исследованы с помощью DFT расчетов, а их колебательные свойства изучались с использованием межатомных потенциалов построенных в рамках приближения сильной связи. Было показано, что магнитное упорядочение в кластерах Cr существенно влияет на их кристаллическую структуру и симметрию, что влияет на колебательные моды кластеров и ближайших соседних атомов меди. В свою очередь, эти режимы выбирают потенциально возможные структуры Cr3 и Cr4, запрещая кластерную структуру с наименьшей полной энергией как динамически нестабильную. Для тримера динамически устойчивая конфигурация представляет собой неколлинеарную магнитную конфигурацию «120°», которая имеет структуру равностороннего треугольника, характеризуемого точечной группой симметрией C3v. Фононный спектр этой структуры демонстрирует модификацию собственных мод тримера за счет их смешивания с колебаниями соседних атомов меди, как в случае тримеров немагнитных атомов на Cu(111). Динамически устойчивая структура кластера Cr4 представляет собой коллинеарную антиферромагнитную конфигурацию с магнитными моментами, направленными вдоль нормали к поверхности и атомной структурой характеризующейся симметрией C1v. Сравнивая его с Cr4 с симметрией C3v, реализованной, например, в случае неколлинеарного антиферромагнитного упорядочения магнитных моментов, обнаружено, что понижение симметрии кластера приводит к существенной модификации колебательного спектра.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [21]:
Borisova S. D., Eremeev S. V., Rusina G. G., Chulkov E. V. Magnetic and vibrational properties of small chromium clusters on the Cu(111) surface// Phys. Chem. Chem. Phys. – 2021. – Vol. 23. – P. 7814-7821. Impact Factor = 3.676 https://doi.org/10.1039/D0CP05223J

22. Проведено изучение нестехиометрических оксидов в целях создания твердооксидных топливных элементов.
Изучение нестехиометрических оксидов типа PrBaCo(2-x)MxO(6-у) является важной задачей для создания современных электрохимических приборов, в которых транспорт реализуется через кислородные вакансии.
В данной работе экспериментально и теоретически изучается процессы формирования кислородных вакансий и подвижности атомов кислорода в кристаллической решетке системы PrBaCo(2-x)MxO(6-у), где M=Fe, Co, Ni и Cu.
Детально изучена кристаллическая структура и, в частности, различные конфигурации вакансий. Были также проведены первопринципные расчеты полных энергий и энтальпий для разных конфигураций вакансий и переходных атомов. На основе проведенных исследований система PrBaCo(2-x)NixO(6-у) была рекомендована как наиболее многообещающий электродный материал для твердооксидных топливных элементов.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [22]:
Zhukov V. P., Chulkov E. V., Politov B. V., Suntsov A. Yu., Kozhevnikov V. L. The formation and migration of non-equivalent oxygen vacancies in PrBaCo2-xMxO6-d, where M = Fe, Co, Ni and Cu// Phys. Chem. Chem. Phys. – 2021. – Vol. 23. – P. 2313. Impact Factor = 3.676
https://doi.org/10.1039/D0CP05497F

Оксиды кобальта с общей формулой LnBaCo2 O(5+δ) и со слоевой структурой двойного перовскита являются перспективными материалами для использования во многих направлениях современной техники, в частности, как катодные материалы твердооксидных топливных элементов ( ТОТЭ). Из данной группы соединений выделяется кобальтит PrBaCo2 O5.5 , который может кристаллизоваться в орторомбической или тетрагональной структурах, иметь упорядоченную или разупорядоченную кислородную подрешетку, ферромагнитную, антиферромагнитную или парамагнитную структуру.
В данной работе были выполнены исследования электронной зонной структуры и ряда зависящих от нее характеристик PrBaCo2 O5.5 на основе ab initio псевдопотенциального метода теории функционала электронной плотности. Полученные результаты позволяют отнести проводимость к определенным атомам и выявить их валентное состояние, выяснить характеристики зонных состояний, определяющих проводимость, а также выявить наиболее вероятный тип кислородных вакансий и их влияние на переход полупроводник – металл.
Результаты работы по проекту в данном направлении опубликованы в статье [23]:
Жуков В. П., Чулков Е. В. Cтруктура дефектов, электронная зонная структура и фазовый переход полупроводник–металл в кобальтите PrBaCo2O5.5: ab initio PAW-подход// Физика твердого тела. – 2021. – Т. 63(3). – P. 333-342.
Переводная версия: Zhukov V. P., Chulkov E. V. The Structure of Defects, the Electron Energy-Band Structure, and the Semiconductor–Metal Transition in PrBaCo2O5.5 Cobaltite: Ab Initio PAW Approach// Physics of the Solid State. – 2021. – Vol. 63. – P. 395–404. Impact Factor = 0.950 https://doi.org/10.1134/S1063783421030197

Информация о привлечении финансирования из внешних по отношению к СПбГУ источников:

1) 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: 77201676). Смета гранта на 2021 год: 6000 тыс. руб.

2) Договор на НИР от 06.11.2020 № ЕП-52-2020/223 с ИФП СО РАН по теме: «Исследование электронной и спиновой структуры Дираковских материалов и двумерных систем с большим спин-орбитальным взаимодействием» (Pure ID: 70628868) для выполнения работ по Соглашению о создании консорциума №2020-1 от 26 мая 2020 г. в целях реализации крупного научного проекта «Квантовые структуры для посткремниевой электроники» по Соглашению о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидии № 075-15-2020-797 от 29 сентября 2020 г. Смета гранта на 2021 год: 15000 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 2021 год: 3000 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 2021 год: 2750 тыс. руб.

5) Грант РНФ № 20-72-00031 «Магнитно-спин-орбитальный графен для реализации устройств спинтроники», рук-ль А.А. Рыбкина (Pure ID: 86191949). Смета гранта за этап июль 2021 – июнь 2022: 1500 тыс. руб.

6) DIPC Donostia International Physics Center (Международный Центр Физики, Сан Себастьян, Испания). Оплата за публикацию статьи 2021 года, опубликованную в журнале Scientific Reports (1690 EUR).