Для выполнения проекта в 2025 году проведены детальные экспериментальные и теоретические исследования особенностей электронной и спиновой структуры, а также магнитных свойств новых перспективных систем, включающих графен, материалы с сильным спин-орбитальным взаимодействием, новые материалы на основе лантанидов, а также упорядоченные магнитные топологические изоляторы с уникальным магнитным упорядочением.
В рамках работ по проекту можно выделить следующие наиболее важные результаты:
1) Проведено обзорное исследование магнитных топологических изоляторов семейства MnBi2Te4, включая ряд родственных материалов с изменённым химическим составом и структурой, таких как MnBi(Sb)₂Te₄, MnSb₂Te₄, MnBi₂Se₄ и так далее. Эти системы демонстрируют разнообразные магнитные и топологические свойства, такие как квантовый аномальный эффект Холла, фазу вейелевского полуметалла и аксионного изолятора. Изменение состава и межслоевого расстояния и типа взаимодействия позволяют регулировать магнитные и топологические свойства данных материалов. В двухмерном пределе MnBi₂Te₄ пленки демонстрируют зависимость топологических и магнитных свойств от количества семислойных блоков. В результате, MnBi₂Te₄ и семейство родственных материалов представляют собой уникальную платформу для исследования взаимодействия магнетизма и топологии, и обладают потенциалом для практических применений в квантовых технологиях. Важным аспектом дальнейших исследований остаётся управление дефектами и «интермиксингом» для стабилизации топологических состояний при более высоких температурах и создании приложений, основанных на квантовых эффектах.
2) Проведен подробный анализ особенностей и условий формирования фаз Вейлевского полуметалла в Mn1−xGexBi2Te4 с детальным исследованием спиновой структуры данных материалов. Важным результатом исследования стало обнаружение возможности формирования Вейлевской фазы в системе, изначально обладающей антиферромагнитным упорядочением, при концентрации Ge на уровне 37%. Результаты работы углубляют понимание механизмов управления топологическими состояниями в слоистых магнитных материалах и открывают пути для экспериментальной реализации Вейлевских полуметаллов на основе MnBi2Te4.
3) Проведены теоретические исследования системы (Mn₁₋ₓSnₓ)Bi₂Te₄, в электронной структуре которой сосуществуют топологические поверхностные состояния (ТПС) и состояния Рашбы (RSS), характеризующиеся спин-орбитальным расщеплением ветвей состояний вблизи уровня Ферми. Изучена природа RSS и их взаимодействие с ТПС. Показано, что состояния Рашбы связаны преимущественно с приповерхностным слоем висмута, сохраняют приповерхностную локализацию во всём диапазоне концентраций Sn и формируют характерную рашбовскую дисперсию. При увеличении содержания Sn наблюдается частичное смещение RSS вглубь структуры и усиление их гибридизации с ТПС, сопровождающееся смещением рашбовских ветвей вниз по энергии. При этом s- и d-орбитали Mn практически не участвуют в формировании RSS, тогда как p-орбитали Sn вносят заметный вклад, расширяя распределение плотности глубже в кристалл. Полученные результаты позволяют глубже понять орбитальную природу и эволюцию состояний Рашбы в топологических магнитных системах, что может быть полезно при целенаправленном управлении спиновыми эффектами и разработке материалов для спинтроники.
4) Впервые проведены экспериментальные исследования электронной структуры поверхностных топологических состояний на неосновной (боковой) поверхности теллурида висмута (Bi2Te3). Отработана методика подготовки поверхности, полученной срезом вдоль направления, перпендикулярном плоскости (111), которая, как было показано, при общей заданной ориентации (11-2) являлась фасетированной. Проведённые расчёты электронной структуры разных плотноупакованных поверхностей, которые могут образовывать фасетки на поверхности с данной ориентацией позволили выявить, что наилучшим согласием с экспериментом обладают спектры поверхности (10-1). Проведены теоретические расчеты и экспериментальные измерения методом ARPES электронной структуры данной поверхности, обнаружено, что спектр такой поверхности характеризуется большой kx/ky анизотропией и общим разворотом Ферми контура, что является следствием анизотропии проекции объёмных состояний на данную плоскость. Полученные результаты являются первым прямым наблюдением ТПС на боковых поверхностях 3D топологического изолятора.
5) Проведены исследования магнитных свойств монокристаллов MnSb2Te4, которые выявили наличие ферромагнитного упорядочения (FM) во всех исследованных образцах (с наибольшей температурой Кюри ~45K для исследованных образцов и магнитным моментом 5,5μВ на атом Mn). При этом результаты демонстрируют также небольшой вклад антиферромагнитного (AFM) поведения, и величина AFM и FM вкладов обусловлена наличием фаз с различной концентрацией дефектов замещения Mn/Sb. Показано, что кристаллы MnSb2Te4 обладают чрезвычайно узкой петлей гистерезиса, т.е. являются ярко выраженными магнито-мягкими материалами, что представляет интерес для практических применений.
6) Проведены исследования электронной структуры тяжёлых аналогов графена: -антимонена (монослой Sb с графеноподобной структурой) на поверхности топологического изолятора Bi2Se3 и германена (монослой Ge с графеноподобной структурой), полученного путём интеркаляции атомов гадолиния на поверхности Ge(111). Для антимонена были определены условия упорядоченного, однофазного роста, что позволяет полностью контролировать его электронные свойства. Для синтезированного германена были обнаружены дираковские состояния и показано, что они обладают щелью, в несколько раз большей, чем в свободном германене за счёт вклада от Gd-d орбиталей. При этом контролируемое электронное легирование, индуцированное цезием, может перевести систему в ферромагнитное состояние, а затем обратно в неколлинеарный антиферромагнетик в пределе насыщенного монослоя цезия. В связи с этим полученная система может найти применение в магнитоэлектронике и спинтронике.
7) Изучена возможность управления величиной энергетической запрещенной зоны в ТПС за счет нанесения на его поверхность атомов золота путем изменения таких параметров как: конфигурация атомов адслоя, их концентрация и расстояние до поверхности. С помощью расчётов в рамках теории функционала плотности (ТФП) выявлено наиболее энергетически выгодное положение адслоя золота на поверхности MnBi2Te4. Для различных конфигураций в равновесном положении выявлены интересные особенности: в конфигурации fcc наблюдаются Рашба-подобные состояния, а в конфигурациях hcp и top — выраженная внеплоскостная поляризация в пределах объемной запрещённой зоны. Эти эффекты открывают возможности для использования данных интерфейсов в спинтронике. Полученные результаты подтверждают, что осаждение атомов Au является эффективным инструментом для точной настройки электронной структуры MnBi₂Te₄ и могут быть использованы при разработке топологических материалов с управляемыми свойствами для современных технологий.
8) Проанализирована возможность управления электронной и магнитной структурой в семействе периодических гетероструктур, образованных структурными блоками типа MnBi2Te4 и бислоями тяжёлых элементов с общей формулой типа XY4Te4 (X = Ge, Pb, Sn, Mn; Y = Sb, Bi) при вариации химического состава. Были рассмотрены эффекты «интермиксинга» между Ge и Sb (или Sn и Sb, или Pb и Sb) в семислойном структурном блоке и его влияние на электронные и топологические свойства рассматриваемых материалов. Было показано, что в системе с интермиксингом GeSb4Te4 остается топологически нетривиальным. Таким образом, дуальное топологически нетривиальное состояние в GeSb4Te4 устойчиво к перемешиванию Ge-Sb. Для соединения PbSb4Te4 получены аналогичные результаты. Ожидается, что двойственная топология SnSb4Te4 также сохраняется при введении в систему интермиксинга.
9) Изучено влияние In на электрофизические характеристики материалов Pb1-xSnxTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Интерес к твёрдому раствору Pb1-xSnxTe:In связан с тем фактом, что, в зависимости от содержания компонент в твёрдом растворе (свинец, олово, теллур и индий), материал проявляет различные свойства: диэлектрические, полупроводниковые, сверхпроводниковые, является слабым тривиальным металлом или топологическим изолятором. При этом введение индия во время роста в твёрдый раствор Pb1-хSnхTe (PST) изменяет его электропроводность в широком диапазоне (до 104 – 108 раз) в зависимости от содержания олова. В данной работе изучен вопрос влияния параметров получения плёнок на электрофизические характеристики. Показано, что индий ведёт себя как поверхностно-активное вещество в системе PST-In, и его концентрация на поверхности плёнок сильно больше концентрации в объёме.
10) Изучены возможности управления спиновой структурой монокристаллов Mn₁₋ₓGeₓBi2Te4 при изменении концентрации Ge. Замещение магнитных атомов Mn немагнитными элементами, такими как Ge, позволяет управлять как электронной, так и спиновой структурой материала и может приводить к топологическим фазовым переходам. Исследовано влияние концентрации Ge на спиновую структуру Mn₁₋ₓGeₓBi₂Te₄ с использованием лазерной фотоэлектронной спектроскопии со спиновым разрешением (spin-ARPES) и расчётов в рамках теории функционала плотности (DFT). Было показано, что замещение Mn атомами Ge в MnBi₂Te₄ сопровождается переходом от топологических к Рашба-подобным поверхностным состояниям, что приводит к появлению внеплоскостной спиновой поляризации данных состояний. Совместный анализ данных spin-ARPES и DFT показывает, что изменение концентрации Ge позволяет целенаправленно управлять спиновой поляризацией поверхностных состояний, открывая возможности для тонкой настройки спиновой структуры в магнитных топологических изоляторах.
11) Исследовано управление аномальным эффектом Холла (AHE) в гетероструктурах магнитных топологических изоляторов MnBi₂Te₄/Bi₂Te₃ на поверхности кремниевой подложки Si(111). С использованием разработанной установки для in situ измерений эффекта Холла были проведены измерения аномального эффекта Холла (АЭХ) в гетероструктурах магнитного топологического изолятора MnBi2Te4/Bi2Te3 (MBT/BT), выращенных на различных поверхностях подложки Si(111). Обнаружена возможность управления свойствами двумерного магнита MBT путем модификации поверхности подложки одним моноатомным слоем Bi (формирующего реконструкцию β-Bi/Si(111)-√3×√3), что может быть использовано при инженерии топологических и спинтронных устройств на атомарном уровне.
12) Изучена модификация электронной структуры поверхности магнитного полупроводника с сильным эффектом Рашбы, вызванная присутствием доменных стенок (ДС). Теоретически изучено, как рассеяние электронов на ДС различной ширины модифицирует электронную структуру поверхности магнитного полупроводника с сильной спин-орбитальной связью (например, поверхность полярного полупроводника BiTeI, легированного атомами переходных металлов). Показано, что в локальной обменной энергетической щели возникает резонансное состояние с квазилинейным спектром и резонансные состояния типа Волкова-Панкратова с параболической дисперсией, если ДС достаточно широкая. Примечательной чертой является существенное сужение спектрального размытия бесщелевого резонансного состояния с ростом ширины ДС, кроме того это состояние проявляет свойство киральности: оно сильно поляризовано по спину вдоль оси, ортогональной как направлению ДС, так и ориентации намагниченности в доменах. Проведены исследования собственного аномального эффекта Холла на поверхности магнитного полупроводника с сильным эффектом Рашбы. При этом для изучения особенностей собственного аномального эффекта Холла, возникающих в магнитном полупроводнике с эффектом Рашба, было предложено использовать образец, поверхность которого содержит пару параллельных доменных стенок (ДС), по аналогии с традиционной геометрией Холла. В этом случае роль физических границ выполняют ДС, а роль краевых состояний на границах - киральные резонансные состояния. Проведённые оценки показывают, что поверхность полярного полупроводника BiTeI, легированного атомами переходных металлов (например, V или Mn), является подходящей материальной платформой для экспериментального обнаружения такого вклада при температурах порядка нескольких десятков градусов Кельвина.
13) Проведено экспериментальное и теоретическое исследование электронной структуры и свойств систем на основе графена на металлических подложках с интеркалированными ультратонкими слоями магнитных и/или тяжелых металлов с сильным атомным спин-орбитальным взаимодействием с вариацией типа и силы магнитного взаимодействия. С помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением, сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии и метода теории функционала плотности исследована электронная структура систем 1ML Au/Co(0001) как с графеном на поверхности, так и без него, и обнаружены интересные особенности, возникающие благодаря ферримагнитному порядку в графене и лежащему под ним монослою золота. Важнейшим результатом является обнаружение фермионов Дирака в монослое Au с двумерным ферримагнетизмом как для чистой системы, так и покрытой графеном. Наблюдаемые особенности электронной структуры тесно связаны с сетью треугольных петлевых дислокаций на границе раздела Au/Co. Обнаруженные состояния на поверхности Au/Co и возможность намагничивания графена перпендикулярно его поверхности открывает новые перспективы для использования в бездиссипативной топологической электронике.
14) Проведены комплексные экспериментальные и теоретические исследования влияния интеркаляции атомов Co на электронную структуру графена, выращенного на монокристаллической подложке Ir(111). С помощью метода фотоэлектронной спектроскопии (ФЭСУР) установлено, что электронная структура системы Gr/Co/Ir(111) в точке K̄ характеризуется наличием мини-конусов вблизи уровня Ферми, образование которых является следствием гибридизации состояний C и Co и подтверждает высокое качество интеркалированной структуры. Результаты измерений ФЭСУР со спиновым разрешением демонстрируют значительную поляризацию d-состояний кобальта, при этом наличие ненулевых компонент Sy и Sz после намагничивания свидетельствует об отклонённой относительно нормали к поверхности ориентации магнитных моментов в синтезированной системе и/или о наличии магнитных доменов с намагниченностью в плоскости и перпендикулярно плоскости поверхности. Результаты работы в данном направлении позволят оптимизировать методику синтеза графена в контакте с магнитными металлами с внеплоскосктной намагниченностью для последующей реализации фазы квантового аномального эффекта Холла.
15) Проведено теоретическое исследование топологических сверхпроводников и топологических изоляторов с учетом полной симметрии кристалла, локальной симметрии атомов, группы волнового вектора и симметрии относительно обращения времени. С использованием метода индуцированных представлений конечных групп рассмотрено построение волновых функций в кластерах и кристаллах с учетом указанных выше симметрий. Показано, как с использованием промежуточной группы при индуцировании получить дополнительные квантовые числа для повторяющихся неприводимых представлений. Рассмотрено слияние зон в топологических материалах с несимморфной пространственной группой из-за симметрии относительно обращения времени. Разработан пространственно-групповой подход к построению волновой функции куперовской пары в топологических сверхпроводниках, в том числе в триплетном ферромагнитном сверхпроводнике UTe2. Проведено изучение фазового перехода в UTe2 под действием магнитного поля без изменения природы спаривания.
16) Проведено теоретическое моделирование и анализ спектров резонансной фотоэлектронной спектроскопии (RPES) новых материалов, содержащих лантаноиды (Ln). Исследовано семейство соединений LnRh2Si2, в частности, чтобы изучить, как фотоэлектронная дифракция (PED) и кристаллическое электрическое поле (CEF) влияют на резонансно усиленную 4f-эмиссию, связанную со вкладом различных состояний MJ в основное состояние Ln. Подробные исследования проведены и для других лантаноидов, включая Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Tm и Yb. Полученный обзор спектров резонансной фотоэмиссии 4f и картин PED предоставляет надежную платформу для исследования широкого спектра систем на основе Ln, от молекул до твердых тел, с особым акцентом на оценку свойств, обусловленных 4f магнитными моментами и их ориентацией.
17) Проведены исследования интерметаллидов со стехиометрией REX2Si2, где сила рашбавского спин-орбитального взаимодействия в поверхностных состояниях может варьироваться путем выбора подходящих атомов переходных металлов X. Для соединения TbIr2Si2, малоизученного в настоящее время антиферромагнетика с достаточно высокой температурой Нееля (80 K), получены результаты по исследованию объемной и поверхностной электронной структуры кремниевого окончания. Показано, что металлический объемный спектр TbIr2Si2 характеризуется широкой локальной запрещенной зоной в окрестности точки "M" ̅ поверхностной зоны Бриллюэна, которая содержит серию поверхностных состояний. Теоретические расчеты позволили проследить эффекты спин-орбитального и обменного взаимодействий по отдельности и объяснить большую разницу в обменном расщеплении различных поверхностных состояний на основе анализа их пространственной локализации и, следовательно, различной гибридизации этих состояний с орбиталями магнитного атома.
18) Изучены электронные и магнитные свойства гетероструктур и сверхрешеток, образованных структурными блоками LnT2Si2 (T -- переходный металл, Ln -- лантаноид), которые предложено использовать в качестве элементарных магнитно-активных блоков для интеграции в многослойные архитектуры, что особенно важно для спинтроники и магноники. Получены результаты фотоэмиссионных исследований и расчетов зонной структуры объема и поверхности из первых принципов антиферромагнетиков GdIr2Si2 и TbIr2Si2, обладающих сходными параметрами решеток и высокой температурой Нееля, но различными ориентациями антиферромагнитного упорядочения. Получено хорошее соответствие между экспериментом и теорией и проведено теоретическое исследование модельных гетероструктур, составленных из структурных четырехслойных блоков этих антиферромагнетиков, с чередованием сорта атомов Ln в магнитной подрешетке через один или два слоя. Обнаружено, что моменты атомов Gd ориентируются по направлению моментов атомов Tb, а их коллинеарность или антиколлинеарность определяется конкретным порядком чередования атомов в магнитных подрешетках, что приводит к наведению или компенсации общей намагниченности вдоль кристаллографической оси c. Полученные результаты и предложенный подход открывают новые возможности для конструирования нетривиальных, блочных, магнитно-активных наноструктурных материалов, состоящих из таких структурных блоков, обладающих гибко управляемыми магнитными свойствами.
19) Проведены исследования поверхностных свойств системы CeRh2Si2, которая является антиферромагнитной (AFM) Кондо-решёткой (T_N=38 K, T_K≈30 K) и представляет интерес благодаря своей богатой фазовой диаграмме, где AFM порядок и необычная сверхпроводимость тесно связаны между собой. Изучены поверхностные эффекты в спектрах поглощения лантаноидов с акцентом на сильно коррелированные цериевые соединения. Подробный анализ данных резонансной фотоэлектронной спектроскопии валентной зоны вблизи порога Ce4d – 4f, вместе с анализом формы спектра XAS позволил дать дополнительное представление о физике Кондо, связанной с кристаллическим электрическим полем и ориентацией моментов атомов Ce 4f.
20) Исследованы тонкопленочные материалы оксидной резистивной памяти и взаимосвязь их стехиометрии с устойчивостью к износу и временем хранения состояния. Проведен анализ элементного состава и распределения кислородных вакансий по толщине пленки. Пленки оксидов алюминия на подложках n- и p-легированного кристаллического кремния были выращены методом молекулярного наслаивания. Исследована проводимость тонких пленок и их способность проявлять мемристивные свойства, а также методом атомно-силовой микроскопии были проведены исследования морфологии поверхности пленок при разных температурах отжига. Проведены исследования эпитаксиальных и поликристаллических пленок сложного оксида бария и титана – BaTiO3, обладающего сегнетоэлектрическим свойствами. Пленки были сформированы методом импульсного лазерного осаждения на подложке SrTiO3 с нижним LSMO (La0.7Sr0.3MnO3) электродом между подложкой и пленкой BaTiO3. На мемристивные свойства таких структур влияют, в частности, концентрация и распределение ловушек (кислородных вакансий). В этом плане, задачи исследований методом фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС) схожи для пленок оксидов алюминия, титана и сложного оксида BaTiO3. Проведен анализ ФЭС спектров в процессе поэтапного травления пленки вплоть до ее полного стравливания, изучен стехиометрический состав и толщина пленок. Структуры на основе BaTiO3 демонстрируют возможность плавной перестройки сопротивления за счет электронных и ионных процессов, протекающих в объеме сегнетоэлектрической пленки и у интерфейсов с электродами. Изучена эволюция формы фотоэлектронных спектров титаната бария в процессе ионного травления, а также методика оценки толщины «мертвого» и рабочего слоев структуры.
За отчетный период в 2025 году все планируемые научные исследования, предусмотренные планом работ, выполнены в полном объеме. Достигнуты все запланированные в отчетном году целевые индикаторы.

Сведения о привлечении или подаче заявки на финансирование из внешних по отношению к СПбГУ источников:
1) Грант РНФ "Новые синтетические слоистые магнитные топологические системы с реализацией концепции поверхностного топологического фазового перехода с контролируемой модуляцией электронной структуры и физико-химических свойств для использования в квантовых технологиях", Соглашение №23-12-00016 от 15.05.2023 г., 7000000 рублей/год, руководитель: Шикин Александр Михайлович, ID Pure: 128913328
2) Подана заявка на проект РНФ по мероприятию «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (совместно с Национальным научным фондом Ирана - INSF): № 25-43-20017 "Эпитаксиальные квазидвумерные материалы на основе графена, ультратонких слоев металлов и подложек SiC для реализации спинтронных устройств (2026-2028)", 7000000 рублей/год, руководитель: Рыбкин Артем Геннадиевич, ID Pure: 137729006

Сведения о регистрации РИД:
Подана заявка № RID-2511-005 (в системе RIMS СПбГУ) – Программа для ЭВМ «Программа для автоматического построения экспериментальных кривых ДМЭ-I(V) (AutoLEED-I(V))», авторы: Гогина А. А., Пудиков Д. А., Pure ID: 144085942