Научная проблема - Прогнозирование и создание синтетических слоистых магнитных топологических систем на основе топологических изоляторов и графена с возможностью широкой контролируемой модификации электронной структуры и поверхностных свойств за счет реализации концепции объемного и поверхностного топологического фазового перехода (между топологической и тривиальной фазой, а также между топологическими фазами, характеризующимися различным топологическим инвариантом).
Решение данной научной проблемы для топологических изоляторов (ТИ) будет реализовываться в системах на основе недавно синтезированного магнитно-упорядоченного топологического изолятора MnBi2Te4 путем контролируемого локального замещения в первом поверхностном семислойнике (а также во всем объеме) атомов с большим атомным спин-орбитальным взаимодействием на атомы с малым спин-орбитальным взаимодействием, частичной заменой атомов магнитных металлов на атомы немагнитных элементов и атомов других магнитных металлов - с целью достижения состояния соответствующего топологического фазового перехода (ТФП), обеспечивающего возможность глубокой модуляции электрофизических и магнитных свойств в формируемых системах. При этом широко будет использоваться концепция поверхностного ТФП. При реализации поверхностного ТФП граница между топологической и тривиальной фазой сдвигается от границы между кристаллом и вакуумом в область между первым и вторым семислойником, т.е. в область локализации топологических поверхностных состояний. Это приведет к существенной модификации электро-физических, магнитных и транспортных свойств поверхности (с переходом между топологической и тривиальной фазой в поверхностном семислойнике) с сохранением общих топологических свойств объема. Помимо глубокой и контролируемой модуляции поверхностных свойств реализуемых систем, это также дает широкие возможности создания систем с набором локальных поверхностных областей (доменов) с существенно различными (контролируемыми) физико-химическими свойствами, формируемых на одной общей подложке, характеризуемой топологическими свойствами, с использованием свойств границ между этими доменами для создания нового типа микрочипов с новыми уникальными свойствами.
Проект будет направлен на создание и изучение новых синтетических слоистых систем с реализацией идеи поверхностного ТФП путем вариации стехиометрии поверхностного слоя в сравнении с системами с объемным ТФП с целью поиска наиболее оптимальных систем и принципов их формирования для использования в квантовых технологиях. Существенное вниманием в рамках выполнения проекта будет также направлено на создание и изучение аналогичных синтетических слоистых систем на основе монослоев графена и монослоев магнитных металлов и металлов с высоким атомным спин-орбитальным взаимодействием с анализом перехода между тривиальной и топологической фазой и изменением типа магнитных взаимодействий в таких системах. В исследуемых системах с нетривиальными топологическими свойствами могут наблюдаться эффект Холла циркулярного дихроизма (CDHE) [1] и квантовый аномальный эффекты Холла (КАЭХ) [2,3]. Данные эффекты могут быть использованы в устройствах спинтроники и привести к важным изменениям в устройствах вычислительной техники, особенно в области хранения информации и квантовых вычислений.
Дополнительно создание систем, в которых реализуется ТФП, поможет решению фундаментальной проблемы реализации и анализа аксионного состояния в твердом теле, которая в последнее время привлекает усиленное внимание ученых всего мира, и потенциальному использованию аксионного состояния в квантовых технологиях.
[1] Y. Zhou et al. Nano Letters 2021, 21(1), 230-235
[2] Z. Qiao et al. Phys. Rev. B 2010, 82, 161414
[3] X. Deng et al. Phys. Rev. B 2017, 95, 121410(R)

Имеющийся у научного коллектива научный задел по проекту, наличие опыта совместной реализации проектов (указываются полученные ранее результаты, разработанные программы и методы).

Коллективом авторов проекта в течение многих лет производятся эффективные исследования электронной энергетической и спиновой структуры систем топологических изоляторов (в том числе магнитно-допированных и магнитно-упорядоченных) и других систем с высоким спин-орбитальным взаимодействием, а также эффектов аномально высокого спин-орбитального и обменного спинового расщепления электронных состояний, индуцированного при контакте графена с тяжелыми и магнитными металлами. У авторов проекта имеется богатый и успешный опыт изучения спиновой и электронной структуры конуса Дираковских состояний графена и топологических изоляторов и ее модификации при магнитном допировании и контакте с тяжелыми металлами. Результаты работ опубликованы в научных журналах с высоким импакт-фактором, например, Nature, Nature Communications, Phys. Rev. Lett, ACS Nano, 2D Materials и др. Основные результаты получены автором проекта с использованием методов фотоэлектронной спектроскопии с высоким угловым и спиновым разрешением, в том числе с использованием синхротронного излучения. Проводятся успешные исследования электронной энергетической и спиновой структуры топологических изоляторов различного типа, а также наноструктур на их основе, что говорит о наличии у коллектива авторов проекта опыта исследований электронной энергетической и спиновой структуры топологических изоляторов методами фотоэлектронной спектроскопии с высоким угловым и спиновым разрешением.
Авторы проекта имеют богатый опыт совместных исследований, в том числе для синтеза и подготовки качественных объемных образцов ТИ (Институт имени Ржанова, Новосибирск)
Авторами проекта постоянно проводятся совместные научные исследования с ведущими научно-исследовательским группами из разных Институтов и городов России с последующей публикацией полученных результатов в высокорейтинговых научных журналах. Коллектив авторов проекта активно участвует в совместных научно-исследовательских проектах. До недавнего времени авторы проекта активно участвовали в совместных научных исследованиях с ведущими научными группами из Европы и Японии. В настоящее время активно расширяются контакты с ведущими научно-исследовательскими группами из России и стран Азиатского региона в различных научных направлениях и с использованием широкого круга новых экспериментальных методик.
В последнее время экспериментальные возможности коллектива авторов существенно расширены за счет создания в СПбГУ установки по синтезу тонкопленочных систем на основе ТИ методом МВЕ. Работы по созданию данной установки находятся на стадии завершения и будут использованы в рамках проекта. Планируется также интенсивно использовать установки молекулярно-лучевой эпитаксии в Институте физики полупроводников им. Ржанова (Новосибирск). Объемные образцы будут синтезироваться также в Институте физики полупроводников им. Ржанова (Новосибирск) с использованием хорошо разработанной методики по методу Бриджмена непосредственно для магнитных ТИ отмеченных выше типов.
В настоящее время авторами проекта проводятся предварительные исследования в рамках направлений, представленных выше, чтобы обеспечить наибольшую эффективность выполнения проекта.
Таким образом, коллектив авторов проекта располагает необходимым экспериментальным, теоретическим и технологическим, а также научным заделом для проведения предлагаемых в проекте исследований (как экспериментальных, так и теоретических) и имеет соответствующий опыт их проведения на соответствующем оборудовании.

Число публикаций членов научного коллектива, опубликованных в период с 1 января 2018 года до даты подачи заявки:
72, из них
72 – опубликованы в изданиях, индексируемых в Web of Science Core Collection или в Scopus,
17 – опубликованы в изданиях, индексируемых Russian Science Citation Index,
0 – опубликованы в изданиях, индексируемых в иных зарубежных библиографических базах данных.

Ссылки на публикации:
[1] A. M. Shikin, A. A. Rybkina, D. A. Estyunin, D. M. Sostina, I. I. Klimovskikh, V. Yu. Voroshnin, A. G. Rybkin, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, L. Petaccia, G. Di Santo, A. Kimura, P. N. Skirdkov, K. A. Zvezdin and A. K. Zvezdin "Dirac cone intensity asymmetry and surface magnetic field in V-doped and pristine topological insulators generated by synchrotron and laser radiation" Scientific Reports 8, Article number: 6544 (2018)
[2] A. G. Rybkin, A. A. Rybkina, M. M. Otrokov, O. Yu. Vilkov, I. I. Klimovskikh, A. E. Petukhov, M. V. Filianina, V. Yu. Voroshnin, I. P. Rusinov, A. Ernst, A. Arnau, E. V. Chulkov, and A. M. Shikin "Magneto-Spin–Orbit Graphene: Interplay between Exchange and Spin–Orbit Couplings" Nano Letters 18 (3), pp 1564–1574 (2018)
[3] A. M. Shikin, A. A. Rybkina, D. A. Estyunin, D. M. Sostina, V. Yu. Voroshnin, I. I. Klimovskikh, A. G. Rybkin, Yu. A. Surnin, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, L. Petaccia, G. Di Santo, P. N. Skirdkov, K. A. Zvezdin, A. K. Zvezdin, A. Kimura, E. V. Chulkov, and E. E. Krasovskii "Signatures of in-plane and out-of-plane magnetization generated by synchrotron radiation in magnetically-doped and pristine topological insulators" Physical Review B 97, 245407 (2018)
[4] M. M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann, D. Estyunin, A. Zeugner, Z. S. Aliev, S. Gaß, A. U. B. Wolter, A. V. Koroleva, A. M. Shikin, M. Blanco-Rey, M. Hoffmann, I. P. Rusinov, A. Yu. Vyazovskaya, S. V. Eremeev, Yu. M. Koroteev, V. M. Kuznetsov, F. Freyse, J. Sánchez-Barriga, I. R. Amiraslanov, M. B. Babanly, N. T. Mamedov, N. A. Abdullayev, V. N. Zverev, A. Alfonsov, V. Kataev, B. Büchner, E. F. Schwier, S. Kumar, A. Kimura, L. Petaccia, G. Di Santo, R. C. Vidal, S. Schatz, K. Kißner, M. Ünzelmann, C. H. Min, Simon K. Moser, T. R. F. Peixoto, F. Reinert, A. Ernst, P. M. Echenique, A. Isaeva, and E. V. Chulkov "Prediction and observation of the first antiferromagnetic topological insulator" Nature, 576, 416–422 (2019)
[5] A. M. Shikin, D. A. Estyunin, Yu. I. Surnin, A. V. Koroleva, E. V. Shevchenko, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Kumar, E. F. Schwier, K. Shimada, T. Yoshikawa, Y. Saitoh, Y. Takeda, A. Kimura "Dirac gap opening and Dirac-fermion-mediated magnetic coupling in antiferromagnetic Gd-doped topological insulators and their manipulation by synchrotron radiation" Scientific Reports 9, Article number: 4813 (2019)
[6] D. Estyunin, I. Klimovskikh, A. M. Shikin, E. F. Schwier, M. M. Otrokov, A. Kimura, S. Kumar, S. Filnov, Z. Aliev, M. Babanly, E. V. Chulkov "Signatures of temperature driven antiferromagnetic transition in the electronic structure of topological insulator MnBi2Te4" APL Materials 8, 021105 (2020)
[7] A. M. Shikin, D. A. Estyunin, I. I. Klimovskikh, S. O . Filnov, E. F. Schwier, S. Kumar, K. Miyamoto, T. Okuda, A. Kimura, K. Kuroda, K. Yaji, S. Shin, Y. Takeda, Y. Saitoh, Z. S. Aliev, N. T. Mamedov, I. R. Amiraslanov, M. B. Babanly, M. M. Otrokov, S. V. Eremeev and E. V. Chulkov "Nature of the Dirac gap modulation and surface magnetic interaction in axion antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4" Scientific Reports 10, Article number: 13226 (2020)
[8] I. I. Klimovskikh, M. M. Otrokov, D. Estyunin, S. V. Eremeev, S. O. Filnov, A. Koroleva, E. Shevchenko, V. Voroshnin, A. G. Rybkin, I. P. Rusinov, M. Blanco-Rey, M. Hoffmann, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, I. R. Amiraslanov, N. A. Abdullayev, V. N. Zverev, A. Kimura, O. E. Tereshchenko, K. A. Kokh, L. Petaccia, G. Di Santo, A. Ernst, P. M. Echenique, N. T. Mamedov, A. M. Shikin and E. V. Chulkov "Tunable 3D/2D magnetism in the (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m topological insulators family" npj Quantum Materials 5, Article number: 54 (2020)
[9] A. G. Rybkin, A. A. Rybkina, A. V. Tarasov, D. A. Pudikov, I. I. Klimovskikh, O. Yu. Vilkov, A. E. Petukhov, D. Yu. Usachov, D. A. Estyunin, V. Yu. Voroshnin, A. Varykhalov, G. Di Santo, L. Petaccia, E. F. Schwier, K. Shimada, A. Kimura, A. M. Shikin "A new approach for synthesis of epitaxial nano-thin Pt5Gd alloy via intercalation underneath a graphene" Applied Surface Science 526, 146687 (2020)
[10] A. M. Shikin, D. A. Estyunin, N. L. Zaitsev, D. Glazkova, I. I. Klimovskikh, S. Filnov, A. G. Rybkin, E. F. Schwier, S. Kumar, A. Kimura, N. Mamedov, Z. Aliev, M. B. Babanly, K. Kokh, O. E. Tereshchenko, M. M. Otrokov, E. V. Chulkov, K. A. Zvezdin, and A. K. Zvezdin "Sample-dependent Dirac-point gap in MnBi2Te4 and its response to applied surface charge: A combined photoemission and ab initio study" Phys. Rev. B 104, 115168 (2021)
[11] A. A. Rybkina, S. O. Filnov, A. V. Tarasov, D. V. Danilov, M. V. Likholetova, V. Yu. Voroshnin, D. A. Pudikov, D. A. Glazkova, A. V. Eryzhenkov, I. A. Eliseyev, V. Yu. Davydov, A. M. Shikin, and A. G. Rybkin "Quasi-freestanding graphene on SiC(0001) via cobalt intercalation of zero-layer graphene" Phys. Rev. B 104, 155423 (2021)
[12] A.G. Rybkin, A.V. Tarasov, A.A. Rybkina, D.Yu. Usachov, A.E. Petukhov, A.V. Eryzhenkov, D.A. Pudikov, A. Gogina, I.I. Klimovskikh, G. Di Santo, L. Petaccia, A. Varykhalov, and A.M. Shikin "Sublattice ferrimagnetism in quasifreestanding graphene" Physical Review Letters, 129, 226401 (2022) [Editor’s suggestion]
[13] А. М. Шикин, Д. А. Естюнин, Д. А. Глазкова, С. О. Фильнов, И. И. Климовских "Электронная, спиновая структура и магнитные свойства собственных антиферромагнитных топологических изоляторов семейства MnBi2Te4(Bi2Te3)m (Миниобзор)" Письма в ЖЭТФ, том 115, вып. 4, с. 241 – 255 (2022)
[14] Д. А. Глазкова, Д. А. Естюнин, И. И. Климовских, Т. П. Макарова, О. Е. Терещенко, К. А. Кох, В. А. Голяшов, А. В. Королева, А. М. Шикин "Электронная структура магнитных топологических изоляторов серии Mn(Bi1−xSbx)2Te4 при изменении концентрации атомов Sb" Письма в ЖЭТФ, том 115, вып. 5, с. 315-321 (2022)
[15] Shikin A. M., Makarova T. P., Eryzhenkov A. V., Usachov D. Yu., Estyunin D. A., Glazkova D. A., Klimovskikh I. I., Rybkin A. G., Tarasov A. V. Routes for the topological surface state energy gap modulation in antiferromagnetic MnBi2Te4 // Physica B: Condensed Matter. – 2023. – Vol. 649. – P. 414443.