Основные результаты выполнения проекта:
1. Методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением была детально исследована серия образцов MnBi2Te4, изготовленных различными технологиями, и детально исследованы особенности их электронной структуры и вариации величины энергетической запрещенной зоны (ЭЗЗ) или энергетической щели, открываемой в точке Дирака. Экспериментально было выявлено, что величина энергетической щели для различных образцов может изменяться в диапазоне между 15 и 65 мэВ. Результаты проведенных исследований показывают, что зависимость спектров от температуры, как для большой, так и малой щели имеет одинаковый характер при изменении температуры от 10 до 35 К. Энергетическая щель остается открытой и выше температуры Нееля (TN), практически не изменяя своего размера при увеличении температуры. При этом величина расщепления Te pz состояний (с энергией связи 0,16–0,20 эВ) по мере перехода через TN начинает резко уменьшаться, а при температуре выше TN данные состояния уже не расщеплены по энергии для всех исследованных образцов. Подобное поведение расщепления Te pz состояний подтверждает, что магнитные свойства для образцов с различной величиной щели в точке Дирака представляются подобными, несмотря на различные размеры энергетической щели. Щель остается открытой выше температуры Нееля.
Проведен детальный теоретический анализ возможных изменений электронной структуры ТПС и ближайших состояний валентной зоны и зоны проводимости для АФМ ТИ MnBi2Te4, а также различных факторов, ответственные за изменение ЭЗЗ в точке Дирака и путей, определяющих возможности целенаправленной модуляции щели. Было показано, что при изменении поверхностного вдВ интервала и силы поверхностного спин-орбитального взаимодействия (СОВ) имеет место существенное перераспределение ТПС, определяющее в основном модуляцию ЭЗЗ. При этом, когда локализация ТПС смещается в область второго семислойного блока (СБ), характеризующегося противоположными ориентациями магнитных моментов, это приводит к уменьшению величины размера дираковской щели и немонотонному ее изменению при вариации величины СОВ. Минимум в величине ЭЗЗ соответствует точке смены знака формирующегося обменного поля. Было показано, что наилучшее соответствие экспериментально измеренных дисперсионных зависимостей и результатов расчетов достигается при несколько сжатом поверхностном вдВ интервале между первым и вторым поверхностным СБ (на -3,46 % по сравнению с объемными). В случае средней и малой щели наилучшее согласие достигается при дополнительной модуляции величины эффективного СОВ для поверхностных атомов (около 0,9 для средней щели и 0,8–0,85 для малой).
Для анализа возможных факторов, ответственных за вариацию энергетической щели в точке Дирака в рамках работ по проекту были проведены расчеты электронной структуры топологических состояний и величины энергетической щели, открываемой в точке Дирака, а также 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. Произведен расчет изменений 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.
Для выявления реальных экспериментальных причин появления состояний с различной ЭЗЗ в точке Дирака для АФМ ТИ MnBi2Te4 были проведены комбинированные исследования поверхности MnBi2Te4 при помощи низкотемпературной сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением с использованием лазерного излучения и высоким пространственным разрешением (до 5 микрон), а также расчетов методом теории функционала плотности. На основе исследований сканирующей туннельной микроскопии было показано наличие дефектов замещения вида Mn(Bi) (атомы марганца замещают атомы висмута в соответствующих слоях и наоборот). В этом случае атомы Mn в слое Bi оказываются намагниченными противоположно атомам Mn в центральном слое MnBi2Te4, тем самым уменьшая полный магнитный момент блока. На основе расчетов методом теории функционала плотности в данной работе было показано, что наличие точечных дефектов замещения Mn(Bi) существенно влияют на запрещенную зону в точке Дирака и могут приводить к ее существенному уменьшению.
Проведены сравнительные исследования особенностей электронной структуры и магнитных свойств недавно синтезированного антиферромагнитного топологического изолятора (АФМ ТИ) MnBi2Te4 и семейства магнитных ТИ MnBi2Te4(Bi2Te3)m. Показано, что при m<3 Mn-слои в этих ТИ остаются связанными антиферромагнитно. При этом с увеличением числа промежуточных слоев Bi2Te3 сила межслоевого обменного взаимодействия между магнитными слоями уменьшается, и при m более 3 может наблюдаться переход от АФМ к ФМ типу общего упорядочения между магнитными слоями. Изменение степени взаимодействия между магнитными Mn-слоями при введении промежуточных немагнитных слоев Bi2Te3 изменяет как магнитные свойства, так и температуру объемного магнитного разупорядочения, т.е. температуру объемного перехода из АФМ в парамагнитное состояние (температура Нееля). Исследования методом сверхпроводящей магнетометрии показали, что для соединений с m=0,1,2 (MnBi2Te4, MnBi4Te7, MnBi6Te10) связь между соседними слоями имеет 3D антиферромагнитный характер с постепенным уменьшением величины межслоевого магнитного взаимодействия и соответствующим понижением температуры Нееля (24.5К, 13К и 11 К, соответственно). Дальнейшее увеличение m приводит к изменению общего магнитного поведения на ферромагнитное, при этом межслоевое взаимодействие практически исчезает.
Проведен анализ величины энергетической запрещенной зоны (ЭЗЗ), открываемой в точке Дирака, для ТИ MnBi2Te4 и из семейства MnBi2Te4(Bi2Te3)m и проанализированы основные факторы, влияющие на величину ЭЗЗ. Было выявлено, что разные измеренные образцы характеризуются различными экспериментально измеренными энергетическими щелями в точке Дирака, величины которых концентрировались в энергетических диапазонах 51-65 мэВ, 28-33 мэВ и 15-21 мэВ. При этом расчеты методом теории функционала электронной плотности, проведенные для MnBi2Te4, показали возможность изменения ЭЗЗ в точке Дирака относительно исходного значения 81 мэВ от 89 до 10-15 мэВ (и ниже) в зависимости от наличия дефектов вблизи поверхности и их концентрации. Это сопровождается изменениями в локализации топологических поверхностных состояний (ТПС), что и определяет изменение величины ЭЗЗ. Для анализа возможности целенаправленной модуляции ЭЗЗ были проведены теоретические расчеты изменений электронной структуры ТПС при приложении электрического поля перпендикулярно поверхности. Проведенный анализ позволил сделать вывод, что одним из основных факторов может являться аккумуляция дефектов вблизи поверхности. При этом тип дефектов и их концентрация и определяет вариацию величины ЭЗЗ для различных образцов. Была получена информация об особенностях электронной и спиновой структуры топологических состояний для out-of-plane и in-plane спиновой ориентации в зависимости от величины и знака заряда, локализованного на поверхности образца или соответствующей величины и знака градиента поверхностного потенциала. Показана возможность целенаправленной модуляции величины ЭЗЗ в точке Дирака приложенным электрическим полем. Расчеты показали геликоидальную in-plane спиновую структуру с инверсией спиновой ориентации для противоположных направлений импульса (+kII и –kII) и противоположную out-of-plane спиновую поляризацию для верхней и нижней частей Дираковского конуса.
Проведено изучение особенностей электронной структуры топологических изоляторов типа MnBi2Te4(Bi2Te3)m. Электронная структура ТПС для данного семейства ТИ существенно отличается для различных поверхностных терминаций, когда на поверхность выходит либо магнитный семислойный блок со структурой MnBi2Te4, либо немагнитный пятислойный блок Bi2Te3. Причем ситуация различна для случаев, когда на поверхности находится один пятислойник (m=1) или два пятислойника (m=2) (и т.д. для ТИ с m ≥ 3). Проведенные исследования показали, что в случае терминации поверхности магнитным семислойным блоком MnBi2Te4 электронная структура ТПС для различных ТИ (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m приблизительно похожи. Положение точки Дирака для всех типов образцов данной серии и для данной терминации приблизительно одинаково. Но при этом имеют место значительные отличия в структуре состояний зоны проводимости, характерной для объемного монокристалла MnBi2Te4, обусловленные гибридизацией состояний Дираковского конуса в верхнем семислойнике MnBi2Te4 с объемными состояниями из нижележащего пятислойника Bi2Te3. Гибридизационные эффекты особенно ярко проявляются для случаев поверхностной терминации одним пятислойным блоком Bi2Te3 путем формировании ярко выраженной запрещенной гибридизационной щели в области состояний верхнего конуса Дираковских состояний, находящихся в области края валентных состояний у нижележащего семислойника. В случае поверхностной терминации двумя пятислойниками данные гибридизационные эффекты проявляются уже в меньшей степени.
Проведены исследования изменений электронной структуры систем MnSb(2-x)BixTe4 с вариацией уровня допирования атомами Sb и показан соответствующий сдвиг положения точки Дирака в сторону уровня Ферми при росте концентрации Sb. Показано, что наиболее оптимальным для применения в спинтронике является стехиометрический состав, соответствующий уровню допирования атомами Sb 20%. В этом случае точка Дирака и соответствующая энергетическая щель, открываемая в точке Дирака, находятся на уровне Ферми. Проведены исследования изменений особенностей электронной структуры и магнитных свойств магнитных ТИ Mn(Bi,Sb)2Te4 при вариации концентрации атомов Sb (x=[0.1-0.5]) и исследованы изменения типа магнитного порядка в данных соединениях. В результате исследований в магнитной структуре Mn(Bi1-xSbx)2Te4 была выявлена новая магнитная фаза, которая представляет собой сосуществование антиферромагнитной (АФМ) и ферромагнитной (ФМ) фаз. Было показано, что измеренные зависимости намагниченности системы от приложенного магнитного поля представляют собой суперпозицию ФМ петли гистерезиса и АФМ зависимости намагниченности от поля с характерным изломом - спин-флоп переходом. При этом сохраняется общая закономерность уменьшения поля спин-флоп перехода, температуры Нееля и эффективной намагниченности при увеличении концентрации атомов Sb.
Проведены исследования гетероструктур типа сверхпроводник/магнитный ТИ, сформированных путем адсорбции атомов Pb (сверхпроводник) на поверхность различных магнитных ТИ: Mn(Bi0.9Sb0.1)2Te4, Mn(Bi0.8Sb0.2)2Te4 и Mn(Bi0.7Sb0.3)2Te4, которые характеризуются различным положением уровня Ферми. ТИ со стехиометрией Mn(Bi0.7Sb0.3)2Te4 является наиболее подходящим для использования в квантовых устройствах, так как уровень Ферми расположен вблизи точки Дирака, что необходимо для наблюдения фермионов Майораны. Исследования показали, что напыление ультратонкой пленки Pb приводит к модификации электронной структуры и сдвигу конуса Дирака в сторону уменьшения энергии связи на 0.05 эВ для соединений Mn(Bi0.9Sb0.1)2Te4, Mn(Bi0.8Sb0.2)2Te4 и в сторону увеличения энергии связи для Mn(Bi0.7Sb0.3)2Te4. Было показано, что данное различие связано с разной концентрацией точечных дефектов в образцах. Было выявлено формирование атомами Pb так называемого «смачивающего» слоя при небольших концентрациях, и последующий послойный рост Pb пленки при дальнейшем напылении. Полученные результаты демонстрируют особенности контакта Pb и магнитного ТИ, которые необходимы для создания эффекта близости при реализации фермионов Майораны и топологически-защищенных квантовых вычислений.
Проведено детальное теоретическое и экспериментальное изучение контакта магнитного ТИ Mn(Bi0.7Sb0.3)2Te4 со сверхпроводящей пленкой Pb различной толщины. Показано, что присутствие пленки свинца на поверхности данного ТИ не проиводит к исчезновению топологических поверхностных состояний. При этом атомы Pb образуют с атомами Te поверхностный сплав, при этом Te сохраняет исходную валентность и величину переноса заряда, как была в ТИ. Т.о. меняется только электронная структура нижележащих атомов Bi(Sb). Общий вид структуры имеет следующий вид: слой Pb/сплав PbTe/модифицированный блок Mn(Bi0.7Sb0.3)2Te4/исходный объемный ТИ. Таким образом в системе между пленкой Pb и магнитным ТИ присутствуют переходные слои.
Проведено изучение возможности модуляции электронной структуры топологических состояний и величины щели в точке Дирака для магнитно-легированных топологических изоляторов атомами магнитных переходных металлов. Методом ФЭСУР и РФЭС проведены исследования изменений электронной структуры топологических поверхностных состояний и внутренних уровней систем при напылении атомов Co на поверхность Bi2Te3 и MnBi2Te4 при различных температурах. В результате проведенных работ было показано, что атомы Co связываются с поверхностными атомами подложки, при этом меняется положение точки Дирака. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что при напылении Co с одновременным прогревом происходит перенос заряда и трансформация поверхности, приводящая к возможности создания Co-содержащего поверхностного сплава. Возможны следующие объяснения наблюдаемых эффектов. Во-первых, в верхнем слое MnBi2Te4 присутствуют вакансии Te, следовательно, Co может встраиваться в них. Во-вторых, возможно замещение атомов Bi атомами Co. Анализ уровней Co 2p показал, что значения энергии близки к значениям энергии в соединении CoTe, что может указывать на формирование поверхностного сплава. Были сделаны попытки поверхностного легирования ТИ Bi2Se3 и Bi2Te3 атомами Co и Mn. Было показано, что при покрытии поверхности в диапазоне от 0.6 до 3 атомов Co на ячейку BiSbTeSe2 при температуре образца 300-330 C во время напыления, происходит образование ферромагнитной поверхности верхнего пятислойного блока (т.е. Te\Se-Bi\Sb- Te\Se-Bi\Sb- Te\Se) с замещением атомов Bi\Sb преимущественно во втором слое на атомы Co. В результате в структуре поверхностных топологических состояний наблюдается появление энергетической щели в точке Дирака величиной до 21 мэВ. Дальнейшее увеличение покрытия Co приводит к образованию островков парамагнитной орторомбической фазы CoTexSe2-x. Аналогичные результаты были получены при осаждении Mn на поверхность BiSbTeSe2. В данном случае также наблюдалось появление энергетической щели в точке Дирака на уровне 37 мэВ. Способ поверхностного легирования ТИ может оказаться наиболее перспективным для создания магнитных ТИ, так как не нарушается объемная структура материла и при этом магнитный слой может эффективно взаимодействовать с топологическими поверхностными состояниями, приводя к открытию запрещенной зоны в точке Дирака.
Проведены исследования электронной структуры и магнитных свойств квазисвободного графена, полученного в результате интеркаляции атомов кобальта под буферный слой на SiC(0001). Проведены структурные исследования интерфейса квазисвободного графена на карбиде кремния, полученного путем интеркаляции 20Å кобальта под буферный слой графена при температуре 450°С. Было показано, что синтез буферного слоя графена и интеркаляция Со приводят к формированию слоистой структуры поверхности с кластерами треугольной формы размером около 5–10 нм. Данная структура поверхности связана с образованием тонких слоев CoSi/CoSi2. Подобная структура силицидов кобальта наблюдалась при напылении тонких слоев кобальта на Si(111) с последующими термическими отжигами. При отжиге при более высоких температурах происходит трансформация CoSi слоя в CoSi2 на границе с подложкой кремния. Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения свидетельствуют о наличии в этом слое атомов Co и уменьшении концентрации атомов Si от подложки SiC до пассивирующего слоя. Было показано, что наименьшее расстояние между атомными слоями, наблюдаемыми на изображениях HRTEM, составляет ∼1.7 Å, что совпадает с СТМ измеренной высотой каждого CoSi слоя, в то время как более глубоко залегающая структура имеет большее расстояние между слоями ∼2,1 Å. Выявлено, что кластеры на границе с SiC имеют структуру CoSi2 и покрыты остаточным слоем CoSi. Было показано, что после интеркаляции кобальта 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 было продемонстрировано, что в результате интеркаляции кобальта между квазисвободным графеном и подложкой SiC образуется ультратонкая силицидная структура CoSi/CoSi2.Таким образом, несмотря на структурную разориентацию слоев, графен имеет квазисвободный характер с линейной дисперсией π состояний. Наличие наноразмерного слоя CoSi под квазисвободным графеном открывает возможности по использованию графена на изолирующих подложках в устройствах спинтроники.
Проведено детальное исследование последующей интеркаляции атомов Au под графен, сформированный на слое CoSi/CoSi2 на подложке SiC(0001). Проведены детальные исследования тонкой структуры XPS спектров в области энергий C 1s, Si 2p, Au 4f уровней с использованием энергии фотонов 420 эВ. Было показано, что спектр Si 2p имеет сложную многокомпонентную структуру. Кроме компонент силицидов кобальта, присутствующих ранее в системе графен/CoSi/CoSi2 на подложке SiC(0001), после интеркаляции Au появилась дополнительная компонента, соответствующая силициду золота. Анализ спектра Au 4f, измеренного с более высоким энергетическим разрешением, показал, что в системе присутствуют атомы золота, которые взаимодействуют с подложкой с образованием химической связи. По отношению интенсивностей сигнала от взаимодействующих атомов Au 4f и Si 2p, можно оценить соотношение атомов золота и кремния как 2:1. Таким образом, на основании данных фотоэлектронной спектроскопии можно сделать вывод о том, что на границе раздела между графеном и подложкой формируется переходный слой, в котором перемешаны атомы золота и кремния и зарождается силицид со стехиометрией Au2Si. При этом π состояния графена сохраняют линейный характер и формируют конус Дирака с вершиной, локализованной вблизи уровня Ферми. Для визуализации однородности поверхности образца были проведены исследования методом фотоэлектронной микроскопии (PEEM). Анализ данных PEEM показал, что поверхность характеризуется одинаковой работой выхода 4.2 эВ во всех точках образца, что свидетельствует об однородности поверхности системы на микрометровом масштабе. Полученные результаты являются основой для реализации магнитно-спин-орбитального графена на полупроводниковой подложке с целью использования в электронных устройствах.
Проведены экспериментальные и теоретические исследования электронной и спиновой структуры системы графен/Pt(111) после адсорбции атомов Na. В ходе работы, были изучены и применены подходы по модификации электронной структуры графена, приводящие к его функционализации для эффективного применения в устройствах спинтроники. Проведено комплексное экспериментальное исследование с использованием методов ФЭСУР влияния адсорбции монослоя атомов натрия на электронную структуру графена, сформированного на подложке Pt(111). В результате было выявлено формирование двумерного металлического слоя, состоящего из атомов натрия.
Проведен синтез графена на поверхности Re(0001) при интеркаляции атомов Bi и кислорода и анализ модификации конуса Дирака при контакте графена с интеркалированными атомами висмута и кислорода. Были изучены методы модификации электронной структуры графена, приводящие к его функционализации для эффективного применения электронике и спинтронике. Методом ФЭСУР спектроскопии были получены дисперсионные зависимости электронных π-состояний графена в K-точке зоны Бриллюэна, демонстрирующие сохранение квазисвободного характера графена при интеркаляции Bi, а также появление второго конуса Дирака после интеркаляции системы атомами кислорода. В результате исследований, было выявлено, что интеркаляция атомов Bi восстанавливает квазисвободные свойства графена. Интеркаляция висмута приводит к тому, что графен переходит из сильно связанного состояния в квазисвободное состояние с линейным характером дисперсии, а также к сдвигу этих π-состояний графена в сторону больших энергий связи примерно на 0,4 эВ из-за переноса заряда от атомов висмута к графену. Также была оценена возможность наличия запрещённой зоны шириной не менее 0,4 эВ. Было обнаружено, что положение точки Дирака отличается в зависимости от конфигурации интеркалированных атомов. После выноса системы на воздух, на ФЭСУР спектре появляются два конуса Дирака. Первый из них возникает ввиду переноса заряда от атомов Bi, что приводит к смещению точки Дирака ниже уровня Ферми, т. е. к n-допингу графена. Для второго конуса точка Дирака расположена выше уровня Ферми, что приводит к p-допингу, связанному с интеркаляцией атомов кислорода. Таким образом, посредством интеркалирования атомов Bi и/или O под графен на Re(0001) можно управлять носителями заряда графена (p-типа и n-типа), а также созданием запрещенной зоны точки Дирака.
Проведены детальные экспериментальные и теоретические исследования электронной, спиновой структуры и магнитных свойств ферримагнитного графена, синтезированного на поверхностном сплаве Au-Co с упорядоченными петлевыми дислокациями. Расчеты методом функционала плотности элементарной ячейки системы (9x9) показали однородное ферримагнитное упорядочение на А и В подрешетках графена. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными spin-ARPES (по величинам запрещенной зоны в точке Дирака и обменного расщепления π состояний) за исключением величины спин-орбитального взаимодействия Рашбы. Для корректного учета спин-орбитального взаимодействия были выполнены расчеты методом сильной связи. Результаты расчетов хорошо согласуются как с результатами, полученными методом DFT, так и с экспериментальными результатами. Для параметров модели сильной связи, обеспечивающих наилучшее соответствие эксперименту, были рассчитаны кривизны Берри для всех зон. При этом было показано, что если учесть матричные элементы переходов, то электроны будут возбуждаться неравномерным образом, с преимущественным вкладом от одной из частей области дипольной формы. Учет данного фактора приводит к ненулевой холловской проводимости для данной системы при облучении циркулярно-поляризованным излучением. Исследуемая система является хорошим кандидатом для реализации эффекта Холла циркулярного дихроизма. В рамках модели сильной связи проведено исследование условий наблюдения топологической фазы в графене при внеплоскостной намагниченности на графене. Была оценена зависимость значений чисел Черна от различных параметров спин-орбитального и обменных взаимодействий. Было показано, что для наблюдения квантового аномального эффекта Холла требуется или сильное спин-орбитальное взаимодействие в графене, или сильная намагниченность, связанная с ферромагнитным вкладом. В отличие от антиферромагнитного, оба вклада должны быть ненулевыми. Были проведены оценки возможности формированию в данной системе фазы квантового аномального эффекта Холла.
Проведено изучение влияния легирования атомами магнитных переходных металлов различной концентрации на электронную и спиновую структуры 2D систем на основе BiTeI с сильным спин-орбитальным взаимодействием Рашбы, а также изменения величины энергетической щели, открываемой в точке Крамерса, при вариации концентрации легирующих примесей. Проведены детальные 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. Особенности зонной дисперсии в данном материале открывают канал неупругого распада для горячих носителей в виде плазмонных возбуждений, присущих системам с расщеплением 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 формируемые сверхбыстрые процессы рассеяния эффективно перераспределяют возбужденные носители в импульсном и энергетическом пространстве и тем самым подавляют спин-поляризованные фототоки.
В рамках работ по проекту проведен общий анализ проведенных исследований и выявлены определенные закономерности, позволяющие предложить направления их использования при разработке моделей наноэлектронных и спиновых устройств на основе магнитно-упорядоченных систем топологических изоляторов, графена и металлов с сильным спин-орбитальным и обменным взаимодействием. В результате проведенных работ для АФМ ТИ MnBi2Te4 и семейства магнитных ТИ MnBi2Te4(Bi2Te3)m 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 в тонких слоях MnBi2Te4 при приложении электрического поля. Для АФМ ТИ Mn(Bi1-xSbx)2Te4 была продемонстрирована возможность целенаправленного сдвига точки Дирака в сторону уровня Ферми с локализацией на уровне Ферми при концентрациях атомов Sb (0.2-0.3), что очень важно для эффективной реализации квантового аномального эффекта Холла, а также наличие смешанной магнитной фазы, что позволяет модулировать магнитные свойства синтезируемых систем. Было показано, что контакт сверхпроводящего металла Pb и магнитного топологического изолятора не приводит к исчезновению топологических поверхностных состояний, что позволяет использовать данные контакты для создания эффекта близости со сверхпроводящим металлом, необходимого реализации фермионов Майораны и топологически-защищенных квантовых вычислений. Для систем на основе графена была показана возможность реализации топологической фазы в графене при индуцированной внеплоскостной намагниченности на графене. Была показана возможность и выявлены условия наблюдения квантового аномального эффекта Холла в таких системах.