"Лаборатория электронной и спиновой структуры наносистем" под руководством ведущего ученого Е.В. Чулкова: 2017 г. этап 3

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание

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.

основные результаты по этапу (подробно)

Проведены детальные исследования электронной и спиновой структуры графена на поверхности ферромагнитной (ФМ) подложки кобальта с интеркалированным слоем золота. Обнаружено, что контакт графена с Au/Co приводит к эффекту индуцированной спиновой поляризации электронных состояний графена до значений, абсолютно не достижимых в изолированном графене. Показано, что намагничивание подложки кобальта приводит к асимметричному спиновому расщеплению электронных состояний графена в противоположных К-точках зоны Бриллюэна (величина аномально большого спинового расщепления достигает 200 мэВ). Исследования открывают перспективы использования уникальных свойств графена в спинтронике, что позволит радикально повысить энергоэффективность и быстродействие элементной базы. На основе проведенных экспериментальных исследований разработаны модели элементов устройств магниторезистивной памяти на основе графена, работающей без использования внешнего магнитного поля.
Проведено комбинированное исследование методами сканирующей туннельной микроскопии, фотоэмисионной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением с использованием теоретических расчетов из первых принципов для графена на подложке Ir(111) с интеркалированным слоем свинца. Показано, что интеркаляция свинца сопровождается линеаризацией дисперсии конуса Дирака с изменением типа допинга графена из дырочного в электронный. При этом запрещенная щель в точке Дирака отсутствует. Было выявлено наличие как планарных, так и вертикальных компонент спина в структуре конуса Дирака, которые возникают вследствие их взаимодействия со спин-поляризованными поверхностными и резонансными состояниями Ir(111).
На основе исследований границ раздела MnSe/Bi2Se3, MnTe/Bi2Te3 и EuS/Bi2Se3 предложен принципиально новый тип интерфейса между пленкой магнитного изолятора и топологическим изолятором (ТИ). Выявленный и проанализированный эффект магнитной близости на границе раздела между магнитными и топологическими изоляторами имеет большой потенциал в спинтронике, поскольку он позволяет эффективно реализовать квантовый аномальный эффект Холла и топологический магнито-электрический эффект.
Проведено сравнительное исследование поверхностной электронной структуры тройных ТИ PbBi4Te7 и PbBi6Te10 и др. и детально изучена электронная структура как Дираковских состояний, локализованных на различных окончаниях поверхности, так и Рашбовских состояний вблизи дна зоны проводимости.
Проведено исследование поверхностных топологических состояний (ТС) для PbBi4Te4S3 с целью дальнейшего использования в устройствах спинтроники и показано присутствие защищенного ТС. Исследования делают возможным реализацию топологических устройств спинтроники, работающих в атмосферных условиях.
Созданы и исследованы полупроводниковые гетероструктуры, содержащие трехмерный ТИ в виде тонкой пленки на интерфейсе с тривиальным изолятором, которые являются высокоперспективными для использования в спинтронике. Изучено влияние интерфейса и размерного эффекта на транспортные свойства данных гетероструктур. Проведен анализ квантованного спинового холловского отклика в гетероструктурах, в которых пленки трехмерного топологического изолятора разделены пленками ферромагнитного изолятора. Аналитически предсказано, что подобная структура может переходить в состояние квантового аномального эффекта Холла из топологически тривиального состояния или состояния квантового спинового эффекта Холла посредством изменения толщины пленки ТИ и интерфейсного потенциала.
Проведено экспериментальное и теоретическое исследование эффектов индуцированной поверхностной намагниченности под влиянием синхротронного и лазерного излучения для магнитно-допированных ТИ. Было показано, что индуцированная намагниченность генерируется нескомпенсированной спиновой аккумуляцией, возникающей при неэквивалентном возбуждении электронов с противоположной спиновой ориентацией из противоположных ветвей Дираковского конуса электронных состояний, которая посредством спин-торк эффекта преобразуется в индуцированную намагниченность.
Проведено детальное исследование кристаллической и электронной структуры интерфейса сильного электронного акцептора 7,7,8,8-тетрацианохинодиметана (C12H4N4 или TCNQ) и ТИ Bi2Se3(0001). Такие молекулярные структуры могут играть роль слоя, защищающего поверхность ТИ от негативного влияния адсорбатов, или служить матрицами для инкорпорирования магнитных атомов с целью создания магнито-упорядоченного состояния на поверхности ТИ. Для ряда магнитно-допированных топологических изоляторов выявлен аномально большой фотовольтаический эффект (вплоть до 210 мэВ) и проанализированы основные факторы, ответственные за его реализацию. Обнаруженный фотовольтаический эффект можно рассматривать в качестве источника генерирования поверхностных спин-поляризованных токов, создаваемых без приложения внешнего электрического поля.
Проведено экспериментальное и теоретическое исследование свойств электронных состояний в двумерной Кондо решетке при наличии сильного спин-орбитального взаимодействия (система реализована на кремниевой поверхности тяжелофермионного материала YbIr2Si2). Используя экспериментальные методы и теоретические расчеты, получена полная информация о свойствах двумерных электронных состояний в приповерхностной области модельного тяжелофермионного материала, выявлены и описаны их электронно-энергетические и спиновые свойства. Впервые продемонстрирована возможность манипуляции групповой скоростью спин- поляризованных 2D электронов с помощью Кондо эффекта реализованного на решетке слоя Yb, что в свою очередь может быть использовано в устройствах спинтроники. Проведенные в рамках проекта исследования новых материалов открывают возможности для привлечения сильно-коррелированных спин-поляризованных электронов к управлению транспортными свойствами носителей в устройствах спинтроники.
За отчетный период в 2018 году все планируемые научные исследования, предусмотренные заявленным планом работ, выполнены в полном объеме. Достигнуты все запланированные в отчетном году целевые индикаторы. Опубликовано 28 научных статей и 1 статья принята в печать. По результатам выполнения проекта в отчетном году получен патент RU№179295U1 "Быстродействующее графеновое записывающее устройство магниторезистивной памяти" (дата регистрации: 07.05.2018 г.). По результатам деятельности лаборатории представлено 47 докладов на международных и российских конференциях. Результаты проекта легли в основу диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук и трех выпускных квалификационных работ студентов.

описание вклада в работу каждого из участников, допустима оценка в процентах (учётная форма ЦИТиС)

1. Чулков Евгений Владимирович – руководство проектом; да (разрешается обработка индивидуальных сведений).
2. Шикин Александр Михайлович - зам. руководителя проекта, планирование экспериментальных исследований, участие в экспериментах, анализ полученных результатов; да.
3. Климовских Илья Игоревич - планирование и участие в экспериментах, обработка и анализ экспериментальных результатов; да.
4. Естюнин Дмитрий Алексеевич - участие в экспериментах, обработка и анализ экспериментальных результатов; да.
5. Рыбкин Артем Геннадиевич - планирование и участие в экспериментах, обработка и анализ экспериментальных результатов; да.
6. Рыбкина Анна Алексеевна - участие в экспериментах, обработка и анализ экспериментальных результатов; да.
7. Терещенко Олег Евгеньевич - синтез высококачественных образцов топологических изоляторов и их предварительная характеризация; да.
8. Кох Константин Александрович - синтез высококачественных образцов топологических изоляторов и их предварительная характеризация; да.
9. Еремеев Сергей Владимирович - проведение теоретических расчетов; да.
10. Русинов Игорь Павлович - проведение теоретических расчетов; да.
11. Голяшов Владимир Андреевич - проведение теоретических расчетов; да.
12. Отроков Михаил Михайлович - проведение теоретических расчетов; да.
13. Швец Игорь Анатольевич - проведение теоретических расчетов; да.
14. Нечаев Илья Александрович - проведение теоретических расчетов; да.
15. Меньшов Владимир Николаевич - обработка и анализ полученных результатов; да.
16. Коротеев Юрий Михайлович - обработка и анализ полученных результатов; да.
17. Вязовская Александра Юрьевна - обработка и анализ полученных результатов; да.
18. Петров Евгений Константинович - обработка и анализ полученных результатов; да.
19. Вялых Денис Васильевич - планирование и участие в экспериментах, обработка и анализ экспериментальных результатов; да.
20. Фильнов Сергей Олегович - участие в экспериментах, обработка и анализ экспериментальных результатов; да.
21. Мишенёва Вера Михайловна - участие в экспериментах, обработка и анализ экспериментальных результатов; да.
22. Кривоносов Владимир Васильевич - обработка и анализ полученных результатов; да.

передача полной копии отчёта третьим лицам для некоммерческого использования: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

не разрешается

проверка отчёта на неправомерные заимствования во внешних источниках: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

разрешается
Короткий заголовокGZ-2017
АкронимMega_SPbU_2015 - 3
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания1/01/1731/12/17

Ключевые слова

  • спинтроника
  • электронная и спиновая структура
  • спиновый ток
  • топологические изоляторы
  • графен
  • Рашба системы
  • спин-орбитальное взаимодействие
  • обменное взаимодействие