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.

ДЕТАЛЬНЫЙ ПЛАН РАБОТЫ НА 2022 ГОД
1. Теоретическое и экспериментальное изучение особенностей электронной и спиновой структуры магнитно-упорядоченных и магнитно-допированных топологических изоляторов различного состава в зависимости от концентрации магнитных переходных и редкоземельных атомов. Анализ зависимости запрещенной зоны, открываемой в точке Дирака, от типа и концентрации магнитных металлов, а также от температуры. Определение взаимосвязи особенностей электронной структуры с возможностью реализации квантового аномального эффекта Холла и топологического магнито-электрического эффекта. Экспериментальное исследование магнитных и транспортных свойств наносистем будет проведено с использованием методов фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением, а также СКВИД-магнитометрии и рентгеновского магнитного кругового дихроизма (XMCD) с привлечением ресурсных центров Научного парка СПбГУ. Теоретическое изучение будет проведено первопринципными методами в рамках теории функционала плотности.
2. Теоретическое предсказание нового семейства топологических магнитных изоляторов на основе 3d-переходных элементов с магнитным моментом, направленным вдоль плоскости (0001), и антиферромагнитно упорядоченных вдоль вертикальной оси. Теоретическое предсказание и исследование уникальной электронной структуры в таких материалах, которая включает в себя одномерные магнитные состояния с нулевой групповой скоростью. В таких материалах возможно появление топологической сверхпроводимости и других необычных свойств.
3. Теоретическое исследование эффекта доменных стенок в магнитных топологических изоляторах и системах Рашбы на электронную и магнитную структуру: появление новых классов электронных состояний, что может приводить к одномерной сверхпроводимости и качественно новым квантовым транспортным явлениям.
4. Теоретический анализ из первых принципов и экспериментальное подтверждение независимого существования ферромагнитной и антиферромагнитной фаз в магнитных топологических изоляторах MnSb(2-x)BixTe4 и семействе MnBi2Te4+n(Bi2Te3). Детальное экспериментальное изучение особенностей электронной и спиновой структуры упорядоченных магнитных топологических изоляторов типа (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m для m=0 (MnBi2Te4),1(MnBi4Te7),2 (MnBi6Te10),3 (MnBi8Te13),4 (MnBi10Te16) методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешениями. Анализ зависимости запрещенной зоны, открываемой в точке Дирака, от структуры, концентрации магнитных металлов и температуры. Анализ in-plane и out-of-plane компонент спиновой текстуры в области энергетической щели в точке Дирака в зависимости от температуры. Исследование магнитной структуры при помощи СКВИД магнитометрии в широком диапазоне температур (2-300 К) для всех типов изучаемых систем (m=0,1,2,3,4). Изучение атомной морфологии и поверхностной структуры исследуемых систем методами сканирующей туннельной и атомно-силовой зондовой микроскопии (в том числе магнитной).
5. Теоретический анализ гетероструктур, включающих в себя двумерные ферромагнитные изоляторы и системы с гигантским спин-орбитальным взаимодействием, что позволит рекомендовать соответствующие гетероструктуры для формирования одномерных Майорановских сверхпроводников.
6. Экспериментальное и теоретическое исследование особенностей электронной и спиновой структуры систем на основе графена, синтезированного на поверхности металлов с сильным спин-орбитальным взаимодействием, с последующей адсорбцией щелочных и редкоземельных металлов.
7. Синтез графен-содержащих систем на поверхности полупроводниковой подложки SiC(0001) с последующей дозированной упорядоченной интеркаляцией магнитных (Co, Fe) и тяжелых (Au, Pt) металлов. Исследование особенностей электронной и спиновой структуры методами фотоэлектронной спектроскопии, измерение магнитных и транспортных свойств.
8. Экспериментальное и теоретическое исследование атомной, электронной и спиновой структуры магнитно-спин-орбитального графена. Анализ механизмов усиления обменного взаимодействия в графене при контакте с магнитными металлами. Изучение роли периодических структурных дислокаций на интерфейсе между графеном и подложкой в усилении индуцированного спин-орбитального и обменного взаимодействий в графене и в формировании поверхностных спин-поляризованных состояний в Г-точке вблизи уровня Ферми. Определение параметров модели сильной связи, обеспечивающих соответствие между теоретической моделью и экспериментальными данными. Расчет кривизны Берри и чисел Черна для определения условий наблюдения квантового аномального эффекта Холла в графене.
9. Экспериментальное и теоретическое исследование электронной и спиновой структуры поверхностных состояний в материалах с сильным спин-орбитальным и магнитообменным взаимодействиями, в частности в материалах класса RT2Si2 и RT2P2, где R – редкоземельный, а T – переходный элементы. Планируется продолжить изучение взаимосвязи между магнитным упорядочением в приповерхностной области и структурой электронных состояний.
10. Анализ возможности получения информации о магнитном упорядочении поверхности материалов на основе лантаноидов из анализа матричного элемента фотоионизации открытой 4f оболочки. Будет разработана модель для описания фотоэмиссии с учетом магнитного упорядочения и возможного расщепления основного состояния в электрическом поле кристалла.

Технические задания членов научного коллектива на 2022 г. прикреплены в карточке проекта в виде файла.

Планируемые показатели лаборатории на финансовый год: Публикации в научных журналах, индексируемых в международных базах научного цитирования (Web of Science Core Collection и (или) Scopus) - 20 публикаций.

Использование оборудования Научного парка СПбГУ: В 2022 году планируется использование оборудования следующий ресурсных центров Научного парка СПбГУ:
1) Ресурсный центр “Физические методы исследования поверхности”
2) Междисциплинарный ресурсный центр по направлению "Нанотехнологии"
3) Ресурсный центр "Вычислительный центр"
4) Ресурсный центр "Центр диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники"

Сайт лаборатории: https://spin.lab.spbu.ru/