4.3.7.1. Научная проблема, на решение которой направлен проект.

Создание новых квантовых материалов на основе топологических изоляторов, соединений редкоземельных элементов, а также графена с возможностью широкой модификации электронной и спиновой структуры в результате контролируемого изменения взаимосвязи спин-орбитального и обменного взаимодействия для использования в современной спинтронике и квантовых вычислениях. 

Решение поставленной научной проблемы для топологических изоляторов (ТИ) будет реализовываться в системах на основе недавно синтезированного магнитно-упорядоченного антиферромагнитного (АФМ) топологического изолятора MnBi2Te4 с контролируемым замещением атомов магнитных металлов на атомы немагнитных металлов, а также элементов с сильным спин-орбитальным взаимодействием (элементы с высоким атомным номером) на элементы с меньшим спин-орбитальным взаимодействием (элементы с низким атомным номером). При этом одним из направлений работы станет частичное и полное замещение атомов Mn на атомы других d- и f-элементов. Предполагается, что замещения подобного рода могут привести к переключению магнетизма системы от антиферромагнитного упорядочения к ферромагнитному и связанному с этим переходу в состояние вейлевского полуметалла. Кроме этого, будет рассмотрен ряд новых классов материалов, таких как периодические гетероструктуры на основе MnBi2Te4 и бислоёв тяжёлых металлов с общей формулой вида XY4Te4 (X = Ge, Pb, Sn, Mn; Y = Sb, Bi), а также класс магнитных гипервалентных соединений  Ln3MPn5 (Ln = La−Nd; M = Ti, Zr, Hf, Mg, Mn, Nb; Pn = Bi, Sb). Наряду с этим будут рассмотрены гетероструктуры на основе антиферромагнитного топологического изолятора, для которых будут найдены условия квантового топологического перехода при вариации магнитной структуры.  Одновременно с этим одна из важных целей проекта будет заключаться в изучении квантовых явлений, возникающих на границах различных квантовых материалов, включая топологические, двумерные, магнитные и/или сверхпроводящие. Главное преимущество и оригинальность такого подхода состоит в создании гетероструктур из структурно похожих материалов, но обладающих разными квантовыми фазами. Это приведёт к образованию квантовых состояний на интерфейсе, которые не существуют ни в одном из компонентов границы раздела. Мы ожидаем, что, создавая соответствующие интерфейсы, сможем значительно улучшить реализацию квантового аномального эффекта Холла (КАЭХ), расширив его температурные/энергетические диапазоны, а также добиться экспериментальной реализации мод Майорана. При этом в рамках проекта будет поставлена важная научно-технологическая цель - освоение методики получения тонких пленок слоистых топологических изоляторов на диэлектрических подложках с дальнейшим измерением их транспортных свойств, а также изучение способов сохранения и восстановления свойств тонких пленок при воздействии атмосферных условий.
Другим важным направлением в рамках проекта будет изучение систем на основе монослоя графена и магнитных металлов, а также металлов с высоким атомным номером и сильным спин-орбитальным взаимодействием, с анализом изменения типа магнитных и спин-орбитальных взаимодействий в таких системах в зависимости от типа подложки. 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.
В области исследования соединений редкоземельных элементов важной проблемой является выявление основополагающих связей между структурой, электронным строением и свойствами магнитных 4f-материалов, а также поиск подходов для создания магнитных систем с прогнозируемыми свойствами. Для ее решения будут синтезированы квазидвумерные 4f-материалы и проведена детальная характеризация их физико-химических свойств, кристаллической, магнитной и электронной структур на поверхностях, в приповерхностных областях и интерфейсах полученных материалов. Ожидаемая информация позволит предложить методики по созданию низкоразмерных объектов с магнитноактивными 4f слоями с четко прогнозируемыми свойствами, которые необходимы для практического применения таких  материалов.
Наконец, одна из тем настоящего проекта касается развития электронной компонентной базы под нейроморфную компьютерную архитектуру, что обусловлено требованиями повышения эффективности исполнения алгоритмов искусственных нейронных сетей при низком энергопотреблении. Успешное аппаратное воплощение нейроморфных систем на базе мемристивных структур с аналоговой перестройкой сопротивления для решения задач искусственного интеллекта было продемонстрировано на базе металлооксидных тонкопленочных композиций. В таких системах характеристики оксидных слоев сильно влияют на особенности переключения между резистивными состояниями, переносящими информацию. В частности, концентрация и распределение кислородных вакансий по глубине активного слоя структуры в значительной степени влияет на такие характеристики, как предельное количество циклов переключения (устойчивость к износу) и время хранения состояния. В данной части проекта будет изучаться взаимосвязь между степенью отклонения от стехиометрии тонких пленок широкого спектра оксидов с их электрофизическими, транспортными свойствами и мемристивными характеристиками.

4.3.7.2. Актуальность проблемы, научная значимость решения проблемы.

Исследования топологических изоляторов, характеризующихся нетривиальной топологией зонной структуры, привлекают огромное внимание исследователей. Одним из примеров таких материалов являются топологические изоляторы, в которых инверсия зон приводит к возникновению поверхностных состояний с уникальной электронной и спиновой структурой  (линейная дисперсия электронных состояний и строгая связь между направлениями и спиновой ориентацией, что обуславливает возможность реализации бездиссипативных спиновых токов по поверхности ТИ). Системы на основе ТИ считаются в настоящее время наиболее перспективными для использования в спинтронике и квантовых вычислениях. На изучение электронной структуры систем на основе ТИ и их физико-химических свойств, поиск новых перспективных ТИ направлены значительные усилия научно-исследовательских групп во всем мире. С этой точки зрения интерес представляет малоизученная в сравнении с такими классическими ТИ, как Bi2Se3 и Bi2Te3, группа систем типа АIIBVI. Последние спектроскопические исследования показывают, что такой представитель этой группы, как HgTe, тоже представляет собой 3D ТИ и обнаруживает на своей поверхности топологические поверхностные состояния, что проявляется в возможности наблюдения квантового эффекта Холла (КЭХ). В данном проекте будут рассмотрены другие представители семейства АIIBVI с целью выявления в нем топологически нетривиальных систем с возможностью реализации КЭХ.
С другой стороны, особую область исследований представляют собой границы между различными квантовыми материалами. На этих интерфейсах происходят сложные взаимодействия, такие как квантовые размерные эффекты, локализация, гибридизация и квантовая запутанность состояний, что приводит к появлению  ранее неизвестных явлений, основанным исключительно на свойствах примыкающих материалов. Два ярких примера таких явлений - топологическая сверхпроводимость (на границе между металлом и топологическим изолятором в состоянии сверхпроводимости) и квантовый аномальный эффект Холла (КАЭХ) (при контакте топологического изолятора с магнитным материалом).
В рамках настоящего проекта предлагается исследовать возможность дальнейшего развития использования уникальных свойств систем на основе АФМ ТИ MnBi2Te4 с его легированием атомами магнитных и немагнитных металлов для создания нового типа топологических квантовых материалов с широкой модификацией особенностей электронной структуры, электро-физических и магнитных свойств с целью использования полученных систем в квантовых технологиях. При этом важную фундаментальную и технологическую задачу представляет реализация в системах на основе MnBi2Te4 фазы магнитного вейлевского полуметалла, особый интерес к которой обусловлен тем, что в ней может быть реализован целый ряд уникальных квантовых эффектов (аномальный спиновый эффект Холла, эффект хиральной аномалии, хиральный магнитный эффект, эффект большого (отрицательного) магнетосопротивления), а также теоретически может происходить стабилизация фермионов Майорана при контакте этой фазы со сверхпроводником. Стоит отдельно отметить, что одной из конечных целей проекта будет также получение и анализ свойств тонких пленок слоистых топологических изоляторов на диэлектрических подложках, т.к. это является необходимым условием для создания прототипов устройств на базе исследуемых в проекте систем. Кроме семейства MnBi2Te4 предполагается провести поиск новых топологических фаз среди периодических гетероструктур XY4Te4 (X = Ge, Pb, Sn, Mn; Y = Sb, Bi) для которых будет выяснено влияние состава на их топологические свойства, а также перспективного семейства магнитных соединений Ln3MPn5 (Ln = La−Nd; M = Ti, Zr, Hf, Mg, Mn, Nb; Pn = Bi, Sb) содержащих гипервалентные одномерные цепочки висмута или сурьмы для которых остаётся открытым вопрос о взаимодействии между комплексным магнетизмом и топологией электронной структуры.
В рамках проекта предполагается исследовать возможности новых квантовых систем и материалов на основе графена и атомов магнитных и тяжелых металлов с целью создания магнитно-спин-орбитального топологического графена на различных подложках, имеющего широкие перспективы для использования в современной спинтронике и квантовых вычислениях. Стоит отметить, что несмотря на то, что графен применяется во многих областях науки и техники, в микро- и наноэлектронике потенциал графена не до конца раскрыт. Исследование графена и других двумерных материалов с целью их применения в электронных устройствах является актуальным, так как это позволит не только улучшить характеристики существующих приборов, но и создать целое направление посткремниевой электроники на новых физических явлениях и законах. Для того чтобы использовать графен в качестве активного элемента электроники, необходимо научиться управлять его электронными свойствами. Синтез эпитаксиальных структур на основе графена и других двумерных материалов позволит получить новые, ранее неизвестные, топологические состояния материала. Управление спиновой структурой в графене, т.е. спиновым расщеплением его электронных состояний и топологически нетривиальной запрещенной зоной в точке Дирака — одна из важнейших проблем материаловедения на сегодняшний день, которую необходимо решить для использования графена в спинтронике, особенно для реализации бездиссипативного транспорта. Совместное использование теоретических и экспериментальных методов позволит создавать на основе графена материалы и наносистемы с необходимыми свойствами для конструирования приборов спинтроники и квантовых компьютеров. Помимо вклада в фундаментальную физику, предполагается, что исследуемые наносистемы будут широко применяться в устройствах спинтроники и в области цифровых технологий.
Также важной частью проекта станет исследование соединений редкоземельных элементов, чья актуальность обусловлена их необычными физическими свойствами и высоким потенциалом их практического использования, например, в качестве источников постоянного магнитного поля в генераторах энергии и электродвигателях, для хранения информации, а также в электронике и спинтронике. Огромное количество работ, посвященных изучению необычных свойств 4f материалов, касаются их объема, при этом процессами, протекающими на границах раздела, фактически пренебрегают. Между тем, свойства поверхности и интерфейсов могут сильно отличаться от объемных свойств материалов, и это следует учитывать при создании новых функциональных структур нанометровых размеров, где поверхность играет существенную роль. Научная значимость состоит в получении уникальных знаний о физике процессов, связанных, в первую очередь, с магнетизмом приповерхностной области 4f материалов. Сюда же относится разработка методик по экспериментальному исследованию и теоретическому моделированию тонкой электронной структуры и магнитных взаимодействий на поверхности и в приповерхностной области таких структур. 
Другим интересным квантовым материалом, который будет исследован в проекте, являются металлооксидные тонкопленочные структуры с аналоговой перестройкой сопротивления, большой интерес к которым вызван перспективой их использования в качестве элементов энергоэффективной памяти, быстродействующих ключей, мемристоров для построения искусственных нейронных сетей. Многоуровневые металлооксидные композиции достаточно просто интегрируются в технологический процесс КМОП-технологии, позволяющий создавать кроссбар-массивы с мемристивными структурами. Такие массивы служат аналогами синапсов, а перестройка сопротивления мемристивных структур имитирует изменение веса синапсов при передаче сигнала по нейронной сети. Эффект резистивной перестройки принято связывать с изменением концентрации точечных дефектов, а именно кислородных вакансий, и их перераспределением в активном слое структуры. С другой стороны, избыток дефектов приводит к быстрой деградации структуры. Поиск допустимого, а также оптимального диапазона отклонений элементного состава от стехиометрического в металлооксидных пленках является важным для создания материалов с требуемыми характеристиками: необходимым диапазоном резистивных состояний, достаточным временем жизни состояния и устойчивостью к многократному перезаписыванию информации.

4.3.7.3. Конкретная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб.

В рамках решения поставленной научной проблемы – прогнозирование и создание новых квантовых материалов с возможностью широкой модификации поверхностных свойств за счет комбинации спин-орбитального и обменного взаимодействий – будут решаться следующие конкретные задачи:
а) Теоретическое и экспериментальное исследование электронной структуры и электрофизических свойств синтетических слоистых систем на основе семейства АФМ ТИ со стехиометрией MnBi2Te4, в которых варьируется сила спин-орбитального взаимодействия путем контролируемого замещения части атомов с большим атомным спин-орбитальным взаимодействием атомами с меньшим спин-орбитальном взаимодействием.
б) Теоретическое и экспериментальное исследование электронной структуры и магнитных свойств новых квантовых материалов на основе семейства MnBi2Te4 при частичной контролируемой замене атомов магнитного металла Mn  на атомы немагнитных элементов. Тем самым варьируется эффективное обменное поле, а также одновременно в широких пределах изменяются параметры электронной структуры системы (такие как величина энергетической запрещенной зоны между состояниями валентной зоны и зоны проводимости, а также величины энергетической щели в точке Дирака).
в) Управление магнитным упорядочением в системах на основе MnBi2Te4 при частичном и полном замещении атомов Mn на атомы других d-элементов (Co, Fe и т.д.), а также на атомы 4f-элементов (Gd, Eu и т.д), с анализом возможности перехода в состояние вейлевского полуметалла.
г) Управление 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.
д) Исследование гетероструктур на основе магнитного изолятора (МИ) и антиферромагнитного топологического изолятора (АФМТИ) вида МИ/АФМТИ/МИ, в которых благодаря эффекту магнитной близости на интерфейсах, появляется возможность управлять конфигурацией намагниченности в пленке АФМ ТИ, порождая не только коллинеарные, но также сложные неколлинеарные и некомпланарные текстуры. Описание электронного спектра и топологической фазы, соответствующих различным текстурам намагниченности в пленке, и нахождение условия квантового топологического перехода при вариации магнитной структуры. 
е) Развитие континуальной модели для изолятора с модуляционным допированием, в том числе магнитным, в котором возможен локальный переход в фазу двумерного ТИ.
ж) Изучение возможности реализации аномального эффекта Холла, близкого к квантованному значению, и других квантовых эффектов в плёнках полупроводникового материала с большим расщеплением Рашба вблизи поверхностей пленки при наличии в пленке собственного или примесного магнитного порядка или наведённой намагниченностью через интерфейс с внешним магнитным материалом.
з) Изучение гипервалентных соединений в качестве новых топологических материалов, в частности содержащих гипервалентные одномерные цепочки висмута или сурьмы в качестве структурного элемента. Класс таких магнитных соединений, вида  Ln3MPn5 (Ln = La−Nd; M = Ti, Zr, Hf, Mg, Mn, Nb; Pn = Bi, Sb) остаётся практически неизученным.
к) Изучение тонких пленок кристаллов слоистых топологических изоляторов на диэлектрических подложках, полученных методом эксфолиации, что включает в себя создание тонких пленок (толщиной около нескольких нанометров), имеющих достаточно большую площадь для возможности прикрепления контактов с целью проведения транспортных исследований. Кроме того, предметом работы в данном направлении станет разработка методики контроля толщины получаемых пленок, а также изучение их механических свойств и устойчивости при контакте с воздухом.
л) Создание и изучение новых типов топологических систем, представляющих собой гетероинтерфейсы 2D Топологический изолятор/3D Магнитный топологический материал и 2D магнит /топологический изолятор.
м) Создание и изучение электронной структуры и свойств систем на основе монослоя графена и монослоев магнитных металлов и металлов с сильным атомным спин-орбитальным взаимодействием с вариацией типа и силы магнитного взаимодействия.
н) Получение информации об электронных и магнитных свойствах, возникающих в результате взаимодействия 3d- и 4f-подрешеток в серии редкоземельных интерметаллидов, включая германиды REMn2Ge2 и пниктиды RET2P2 (RE = редкоземельные элементы, преимущественно Ce, Nd, Sm, Gd; T = Co, Ir) в различных магнитных фазах.
о) Исследование расщепления кристаллическим полем электронных уровней и ориентации магнитных моментов на поверхностях и в приповерхностной области систем RET2Si2 (T= Rh, Ir). В проекте планируется разработать методологию анализа изменений кристаллического поля и направления магнитных моментов вблизи поверхности с помощью NEXAFS-спектроскопии на краю поглощения 4d-4f.
п) В рамках исследования тонкопленочных материалов оксидной резистивной памяти будет изучена взаимосвязь их стехиометрии с устойчивостью к износу и временем хранения резистивного состояния. С этой целью будет проведен анализ элементного состава и распределения кислородных вакансий по толщине пленки. Задачу предполагается решать для нескольких пленок (AlxOy, TiO(2-x), VxOy) разной толщины (10-60 нм).

4.3.7.4. Научная новизна поставленной задачи, обоснование достижимости решения поставленной задачи и возможности получения запланированных результатов.

Изучение особенностей электронной структуры, магнитных, физико-химических и транспортных свойств магнитных топологических изоляторов (как магнитно-допированных, так и собственных магнитно-упорядоченных) является одной из наиболее актуальных тем современной физики твердого тела. В более ранних научных исследованиях основной упор делался на изучение ТИ различного типа, стехиометрии и с различными особенностями электронной структуры, допированных атомами различных магнитных металлов. Однако существенной проблемой таких материалов является их низкое структурное качество из-за неоднородности допирования, а также предельный возможный уровень легирования ТИ магнитными примесями без разрушения или существенного нарушения структуры допированного ТИ. Создание собственного магнитно-упорядоченного антиферромагнитного топологического изолятора MnBi2T4 и топологических систем на его основе стало важным шагом для развития магнитных ТИ и достижимого расширения их физико-химических свойств. В данных материалах, помимо нетривиальной топологии можно также управлять типом магнитного упорядочения, что расширяет область возможных применений рассматриваемых соединений. Подобные изменения позволяют наметить путь дальнейшей модификации особенностей электронной структуры и свойств магнитных топологических систем на основе MnBi2TE4 и их модуляции путем нахождения факторов, позволяющих проводить изменения эффективной величины СОВ за счет частичной и контролируемой замены атомов с различной величиной атомного СОВ, а также атомов Mn на атомы других немагнитных и магнитных элементов. Предполагается, что подобного рода замещения также могут привести к переключению магнетизма системы от антиферромагнитного упорядочения к ферромагнитному и связанному с этим переходу в состояние вейлевского полуметалла, что до настоящего времени еще не было никем полноценно изучено. Для теоретического изучения механизмов влияния атомов замещения на электронную структуру, магнитное упорядочение и топологическую фазу изучаемых систем будет использовано построение модельных гамильтонианов в рамках метода сильной связи (МСС) на основе ТФП расчетов. Известные в литературе модельные гамильтонианы топологических изоляторов, составленные на основе метода сильной связи, описывают физику топологических состояний (в том числе моделируют простейшие свойства топологических фазовых переходов) в чистых системах, однако не могут быть использованы для анализа влияния объёмных примесей на электронные состояния, а также не позволяют получить детальную информацию об их локализации. Кроме того, они не дают понимания механизма осуществления топологических фазовых переходов в промежуточную фазу – вейлевский полуметалл – которые, по-видимому, могут наблюдаться в изучаемых системах. В данном проекте предлагается для построения МСС моделей исследуемых систем использовать методику Слэтера—Костера. Построенная таким образом по результатам ТФП-расчётов систем с поверхностью модель будет автоматически учитывать особенности атомной и электронной структур, связанные именно с наличием поверхности в кристалле. Управление электронной структурой и магнитной фазой антиферромагнитных топологически нетривиальных систем также возможно за счёт формирования сверхрешёток на их основе. Кроме традиционных длиннопериодических структур содержащих периодически повторяющиеся слои антиферромагнитного ТИ и немагнитного ТИ возможен синтез гетероструктур на основе бислоёв тяжелых металлов, например висмута или сурьмы. Такие гетероструктуры с общей формулой XY4Te4 (X = Ge, Pb, Sn, Mn; Y = Sb, Bi) также планируется изучить на основе ТФП-расчётов и МСС. Также в рамках первопринципных методов исследования планируется провести исследование новых перспективных магнитных материалов содержащих одномерные цепочки висмута или сурьмы, таких как  Ln3MPn5 (Ln = La−Nd; M = Ti, Zr, Hf, Mg, Mn, Nb; Pn = Bi, Sb), где вопрос о взаимодействии между комплексным магнетизмом на подрешётке лантаноида и топологией электронной структуры остаётся неизученным. 
Отмеченный выше подход для решения подобных задач будет использован впервые. Таким образом, основная новизна данного проекта состоит в анализе возможности модуляции (и соответствующем анализе) особенностей их электронной структуры и физико-химических свойств новых типов топологических квантовых материалов на основе MnBi2T4 и новых топологически-нетривиальных магнитных материалов, а также в сочетании методов теоретического прогнозирования и практических методов синтеза таких материалов с экспериментальным исследованием их электронной структуры и свойств синтезированных систем. Заявленные задачи являются новыми и не были исследованы до сих пор.
С другой стороны, особую область в исследованиях, связанных с тематикой топологических систем, представляют собой квантовые интерфейсы, которые являются гетерограницами между различными квантовыми материалами. На таких границах проявляется взаимодействие различных квантовых явлений, таких как квантово-размерные эффекты, локализация, гибридизация и квантовая запутанность, что приводит к уникальным эффектам, которые не поддаются предсказаниям, основанным на свойствах отдельно взятых материалов. Двумя типичными примерами этих явлений являются топологическая сверхпроводимость (на границе между металлом и топологическим изолятором в состоянии сверхпроводимости) и квантовый аномальный эффект Холла (при контакте топологического изолятора с магнитным материалом). В случае реализации топологической сверхпроводимости ожидается появление майорановских мод с нулевой энергией вследствие образования сверхпроводящей щели. Такие моды обладают огромным потенциалом в качестве основы для отказоустойчивых квантовых вычислений, что представляет собой серьезный шаг в области квантовой механики. Квантовый аномальный эффект Холла, возникает, когда магнетизм взаимодействует с нетривиальной топологией, вызывая нарушение симметрии обращения времени. Это приводит к открытию запрещенной зоны в точке Дирака, что обуславливает квантование проводимости. Интересно, что этот эффект проявляется в квантовых системах пониженной размерности, где проводимость осуществляется без потерь энергии даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Эти и другие квантовые явления способны переопределить применение квантовой информации и подтолкнуть спинтронику в новую эру. Однако остается серьезная проблема: найти новые материалы, обладающие такими уникальными свойствами. На данный момент и топологическая сверхпроводимость, и КАЭХ проявляют себя только при экстремально низких температурах, что затрудняет их широкое внедрение. В связи с этим существенные усилия в рамках проекта будут направлены на: (а) увеличение температурных и энергетических диапазонов уже изученных квантовых явлений, уделяя особое внимание квантовому аномальному эффекту Холла и топологической сверхпроводимости и (б) фундаментальное исследование квантовых интерфейсов, открывая новые, до сих пор не наблюдаемые явления, на которые влияет гетероструктурирование, а также магнитная и сверхпроводящая близость. 
В рамках проекта предполагается исследовать возможности новых материалов на основе графена и атомов магнитных и тяжелых металлов с целью создания магнитно-спин-орбитального графена на полупроводниковой подложке, имеющего большой потенциал для использования в современной спинтронике и квантовых вычислениях. Эпитаксиальный синтез слоистых наносистем на основе графена и подложки SiC является вновь актуальной тематикой для научного сообщества. Большое количество работ посвящено фундаментальным исследованиям графена на металлических подложках, на которых затруднительна реализация квантовых эффектов в устройствах спинтроники и квантовых компьютерах вследствие электрического шунтирования устройства металлической подложкой. Однако, авторами проекта уже успешно реализованы первые шаги по синтезу и исследованию электронных характеристик графена на SiC путем интеркаляции атомов кобальта, золота и платины. Продемонстрирована возможность получения однородного однослойного графена путем интеркаляции атомов кобальта под нулевой слой графена. Авторами других научных групп показана возможность интеркалирования золота под нулевой слой графена, а также проведены измерения спинового эффект Холла в системе Gr/Pb/Au, полученной путем переноса графена на SiO2 и физического парафазного осаждения. Кроме того, известны исследования перехода Джозефсона на основе графена, полученного путем переноса. Таким образом, возможность интеркаляции нулевого слоя графена на SiC, с одной стороны, и наблюдаемые электронные эффекты в системах на основе графена с использованием его переноса на диэлектрическую подложку, с другой стороны, свидетельствуют о необходимости реализации задач по синтезу и исследованию эпитаксиальных слоистых наносистем на основе графена и подложки SiC.
Сочетание 4f- и 3d-элементов в редкоземельных интерметаллидах может привести к сосуществованию зонного магнетизма и сильно локализованных моментов, вызывающих множество экзотических свойств. Для большинства этих интерметаллидов редкоземельных переходных металлов переходный металл не несет никакого момента или имеет лишь незначительный момент. Однако в большинстве соединений из семейств REMn2Ge2 и RECo2P2 (RE = редкоземельные элементы) как атомы Mn/Co, так и редкоземельные элементы имеют магнитные моменты. Конкуренция между обменными взаимодействиями T-T, RE-T и RE-RE (T = Mn, Co) может привести к сложному магнитному поведению, которое еще не наблюдалось в коррелированных системах RET2X2 с одним активным магнитным атомом в элементарной ячейке.Наконец, данный проект включает в себя исследования металлооксидных структур в свете их потенциального применения в устройствах энергонезависимой памяти. Подобные исследования зачастую ограничиваются измерениями вольт-амперных характеристик методами атомно-силовой микроскопии. В то же время, данные методы не позволяют определить концентрацию и распределение по глубине кислородных вакансий, играющих ключевую роль в процессах перестройки сопротивления структуры. В предлагаемой работе планируется применить комплексный подход на базе методов фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС) и сканирующей атомно-силовой микроскопии. На основании данных ФЭС можно провести количественную оценку элементного и химического состава пленок и сопоставить результаты с вольт-амперными характеристиками, измеренными заранее. Кроме того, измерения методом ФЭС планируется сочетать с деликатным ионным травлением образца, чтобы оценить изменение стехиометрии образца с толщиной. При правильно подобранных параметрах травления данный подход применим, по крайней мере, на ранних этапах травления, когда удается минимизировать эффекты, связанные с селективным травлением, перестройкой поверхности и образованием новых дефектов. Подобный подход был успешно применен нами ранее на пленках сложного оксида - титаната бария - и позволил выявить избыток атомов бария в катионной подрешетке, а также правильно оценить концентрацию кислородных вакансий, что подтвердилось полным соответствием экспериментальных и рассчитанных вольт-амперных характеристик.
Достижимость решения задач, поставленных в рамках проекта, обусловлена опытом коллектива авторов проекта в исследовании топологических изоляторов, в том числе магнитно-допированных и магнитно-упорядоченных ТИ различного типа и стехиометрии, а также слоистых систем на основе графена и слоев магнитных и тяжелых металлов, широким набором имеющимся в их распоряжении современного экспериментального и технологического оборудования мирового уровня, a также предварительно полученными результатами по тематике проекта.

4.3.7.5. Современное состояние исследований по данной проблеме.

Исследования магнитных топологических изоляторов вызывают в последнее время повышенный интерес исследователей во всем мире вследствие уникальной комбинации их топологических и магнитных свойств (см., например [1-13]). На поверхности между ТИ и тривиальным изолятором (вакуумом) формируются металлические Дираковские состояния с линейной дисперсией и геликоидальной спиновой структурой. Введение магнитной примеси внутрь ТИ нарушает симметрию обращения времени и открывает энергетическую щель в точке Дирака в структуре ТПС, что и обеспечивает реализацию КАЭХ и топологического МЭ эффекта. Нетривиальные топологические свойства делают магнитные ТИ чрезвычайно привлекательными для приложений в современной наноэлектронике и формирующихся двумерной [14–16] и антиферромагнитной спинтронике [17–19]. В последнее время [20-35] успешно была реализована возможность собственного магнитно-упорядоченного ТИ (АФМ ТИ MnBi2Te4), когда магнитные металлы встраиваются в химическую структуру магнитного ТИ, приводя к существенному увеличению возможной концентрации магнитных атомов внутри магнитного ТИ и существенному увеличению величины ЭЗЗ в точке Дирака в сравнении с магнитно-легированными ТИ. При этом важным фактором, определяющим свойства магнитных ТИ и их модуляцию является топологический фазовый переход [20-22], который определяет переход изолятора из тривиального в топологическое состояние при увеличении величины СОВ в системе. Одной из возможностей модуляции СОВ является замена атомов элементов с высоким атомным номером (Bi,Te) на атомы элементов с меньшим атомным номером (S, Se, Sb). Для предлагаемых к исследованию в данном проекте новых топологических материалов это подразумевает замену части атомов Te на атомы S, Se или атомов Bi на атомы Sb (с контролируемо изменяемой концентрацией). Исследованию возможностей создания подобного типа систем с новыми модифицированными свойствами будет посвящено одно из направлений в рамках предлагаемого проекта. Другим направлением по синтезу новых топологических слоистых систем и материалов будет анализ контролируемой замены части атомов магнитного металла (Mn) на немагнитные (Ge, Sn, Pb), такая замена приводит к уменьшению эффективного усредненного магнитного момента (и соответствующего магнитного взаимодействия) и, согласно предварительным теоретическим оценкам авторов проекта, к модуляции величины объемной запрещенной зоны, в зависимости от концентрации атомов немагнитного элемента. Тем самым изменяется также в широких пределах электро-физические и магнитные свойства синтезируемых систем. Помимо вышеперечисленного стоит отметить, что наиболее действенным способом управления магнетизмом в системе может стать частичное или даже полное замещение атомов Mn на атомы других d-элементов (Co, Fe и т.д.), а также на атомы 4f-элементов (Gd, Eu и т.д). Недавние работы, посвящённые исследованию системы FeBi2Te4 [36,37], показывают, что другие магнитные элементы так же могут быть использованы для синтеза систем аналогичных MnBi2Te4. В то же время теоретически было показано, что при изменении межплоскостных расстояний в FeBi2Te4 может наблюдаться топологический фазовый переход из состояния магнитного топологического изолятора в фазу вейлевского полуметалла [37]. Кроме того, в недавних исследованиях легирования нецентросимметричных топологических изоляторов LaBiTe3 и LuBiTe3 атомами Sb было обнаружено, что в твердых растворах LaBi1-xSbxTe3 и LuBi1-xSbxTe3 для x≈38.5%-41.9% и x≈40.5%-45.1%, соответственно, существует устойчивая фаза вейлевского полуметалла [38]. Это дает нам основания полагать, что частичное замещение атомов элемента, формирующего магнитные слои в системе MnBi2Te4, может привести к переключению типа магнитного упорядочения от антиферромагнитного к ферромагнитному и связанному с ним переходу в состояние вейлевского полуметалла [39-44]. Стоит отметить, что возрастающий в последние годы рост научного интереса к вейлевским полуметаллам, особенностям их электронной структуры и условий их формирования обусловлен их уникальными свойствами, такими как аномальный спиновый эффект Холла, эффект хиральной аномалии, хиральный магнитный эффект, эффект большого (отрицательного) магнетосопротивления (см., например, [39,42,45] и ссылки в них), а также возможность стабилизации Фермионов Майорана при контакте со сверхпроводником [46].
Планируемые для изучения эффектов замещения примесными атомами в системах на основе MnBi2Te4 ТФП-расчёты на суперячейках большого размера являются вычислительно сложными задачами. В связи с этим в проекте планируется использование моделей сильной связи, преимуществом которых является сравнительно небольшое число независимых параметров. Это должно не только облегчить вычислительный аспект данного круга проблем, но и позволить более конкретно интерпретировать результаты ТФП-расчётов с точки зрения физики с целью выявления связи между атомной структурой данных систем и их результирующей электронной структурой. Наиболее известные в литературе модельные гамильтонианы топологических изоляторов, составленные на основе метода сильной связи, описывают физику топологических состояний (в том числе моделируют простейшие свойства топологических фазовых переходов) в чистых системах [21,47]. Однако, они не отражают влияния объёмных примесей на электронные состояния, а также не позволяют получить детальную информацию об их локализации. Эта информация важна для рассмотрения возможностей модификации топологических поверхностных состояний путём атомной модификации поверхности кристалла топологического изолятора. Кроме того, они не дают понимания механизма осуществления топологических фазовых переходов в промежуточную фазу – вейлевский полуметалл – которые, по-видимому, наблюдаются в ТФП-расчётах систем с замещением атомов Mn на немагнитные атомы при довольно высокой концентрации замещающих атомов, проводимых коллективом [48]. Привлечение методики Слэтера—Костера [49-52] для исследования данных задач является перспективным инструментом. Построенная таким образом по результатам ТФП-расчётов систем с поверхностью модель будет автоматически учитывать особенности атомной и электронной структур, связанные именно с наличием поверхности в кристалле. Данный подход для решения подобных задач будет использован впервые. Помимо поиска путей модификации электронной структуры и магнитного порядка в известных материалах крайне важно определить направление для поиска новых материалов, сосредоточив внимание на химических свойствах и эвристических подходах, при которых могут быть исследованы ранее оставленные без внимания кандидаты, возможно имеющие топологически нетривиальные свойства электронной структуры. В этой связи, было обнаружено, что наличие гипервалентных связей является одной из важных особенностей для поиска новых топологических материалов. Такие электрон-избыточные многоцентровые связи делокализованы по молекуле или структурному мотиву. Гипервалентная связь оказывает два положительных эффекта на зонную структуру. Во-первых, она стабилизирует наполовину заполненную зону и, таким образом, помещает уровень Ферми на энергетическом уровне пересечении зон или в топологическую щель, которая открывается вследствие спин-орбитального взаимодействия. Во-вторых, такая связь сопровождается большим перекрытием орбиталей по сравнению с металлическими связями, и делает материалы, где имеются такие связи, более устойчивыми к дефектам, которые могут сдвинуть уровень Ферми. В то время как, на текущий момент была проделана обширная работа по выявлению перспективных кандидатов среди гипервалентных двухмерных квадратных решеток в качестве новых топологических материалов, эта идея еще недостаточно распространена на другие низкоразмерные электрон-избыточные структурные мотивы. Недавно был предложен новый структурный мотив — гипервалентные одномерные цепочки висмута в качестве структурного элемента для неизученного класса магнитных топологических материалов, среди которого в настоящее время лишь частично изученным является Sm3ZrBi5 которому была посвящена лишь пара работ [53, 54] и в настоящее время отсутствует информация о поверхностных состояниях.
В последнее время исследования магнитных топологических изоляторов были сосредоточены на рассмотрении электронной  структуры, топологических и магнитных свойств новых групп соединений (Сr,V)Bi2(Te,Se)4, а также на вопросах их синтеза. Совсем недавно экспериментальное исследование показало, что в отличие от MnBi2Te4, в процессе синтеза VBi2Te4 возможно формирование структур на основе отдельных  пятислойных блоков Bi2Te3 и трёхслойных блоков VTe2. В этой связи отдельный интерес представляют электронные свойства гетероструктур, сформированных из блоков Bi2Te3 и VTe2. Интерес представляет как возможность формирования магнитной топологической фазы, так и возможность формирования магнитных туннельных гетеропереходов в подобных системах. Кроме того, электронные и магнитные свойства таких материалах могут быть эффективно «настроены» путем химической модификации изовалентными атомами.
Другим направлением, реализуемым в рамках проекта, будет создание и анализ электронной структуры и физико-химических свойств аналогичных топологических систем на основе графена с комбинаций слоев магнитных металлов и металлов с высоким атомным номером для реализации состояния топологического магнитно-спин-орбитального графена на различных подложках.
Известно, что сильное спин-орбитальное взаимодействие является необходимым условием для наблюдения эффектов, таких как квантовый спиновый эффект Холла [55], квантовый аномальный эффект Холла (КАЭХ) [56,57] и др. Вторым фактором, влияющим на спиновую структуру, является обменное взаимодействие в графене. В связи с этим особое внимание привлекают теоретические и экспериментальные исследования возможного магнитного порядка в двумерных углеродных системах, таких как сверхатомный графен [58], триангулен [59], нанографены [60] и др. Экспериментально нереализованная модель Халдейна на основе графеновой решетки с неоднородным распределением магнитного поля на атомном масштабе [61] остается актуальной и привлекательной, поскольку предсказывает КАЭХ в гексагональной двумерной решетке. С другой стороны, топологические краевые состояния уже продемонстрированы в германене [62], что показывает принципиальную возможность получения QSH фазы как в графене, так и в других 2D структурах с гексагональной решеткой.
Немаловажное значение имеет эффект магнитной близости, который представляет собой многообещающий способ реализации обменного расщепления электронных состояний [56] без приложения внешнего магнитного поля, что также может быть использовано для реализации КАЭХ при условии сохранения топологической нетривиальности электронных состояний. Ранее было показано, что контакт графена с антиферромагнитным оксидом может приводить к возникновению КАЭХ или квантового долинного эффекта Холла в зависимости от направления намагниченности [63].
Недавние публикации по синтезу эпиграфена методом „лицом к лицу“ на монокристалле SiC показывают важность полупроводникового, хорошо упорядоченного, бездефектного графена в переходе от кремниевой электроники к графеновой электронике [64,65]. Показано наличие запрещенной зоны 0.6 эВ без каких-либо локализованных состояний внутри нее, которые ранее наблюдались для образцов, синтезированных общепринятым методом термического разложенияSi-терминированной поверхности. Причем, нулевой слой углерода может быть выращен как на монокристалле SiC, так и на тонких слоях 3C-SiC(111) на монокристалле Si(111) [67]. Использование нанотонких слоев SiC может стать основой интегральных микросхем, дополнив или заменив кремниевые элементы.
Другим интересным направлением, является использование графена для синтеза наноразмерных систем путем интеркаляции атомов под графен. Известно, что цепочки магнитных атомов либо с сильной спин-орбитальной связью, либо со спиральным магнитным порядком, которые взаимодействуют со сверхпроводящими подложками, могут содержать топологически нетривиальные майорановские связанные состояния [67]. С другой стороны, тонкие слои магнитных и тяжелых металлов все еще являются объектом активных исследований. В системе с двумя монослоями железа на монокристалле вольфрама недавно показано, что система является 2D топологическим магнитом [68]. В связи с тем, что вышеуказанные системы будут разрушены при экспозиции на атмосферу вследствие окисления, является немаловажным синтез топологических систем с тяжелыми и магнитными металлами непосредственно под графеном. В этом случае графен может играть роль защитного слоя при экспозиции на атмосферу и препятствовать окислению нижележащих слоев, что и было ранее продемонстрировано для отдельных интеркалированных слоев благородных и магнитных металлов в публикациях [69,70].
Помимо спинтроники, топологически защищенные электронные состояния представляют большой интерес для квантовых вычислений, потенциально решая основную проблему декогеренции кубитов. Ключевыми элементами топологического кубита являются нулевые моды Майораны (MZM), которые возникают на поверхности топологического изолятора, если индуцируются как сверхпроводимость, так и магнетизм. МЗМ — это гипотетические квазичастицы, которые равны своим собственным античастицам и подчиняются неабелевой статистике, что делает их привлекательными кандидатами для отказоустойчивых квантовых вычислений. Топологическая сверхпроводимость может быть реализована либо на границах раздела SC и TI [71], либо в материалах, которые являются одновременно сверхпроводящими и топологическими [72] Экспериментальные доказательства существования MZM до сих пор неясны: первые сообщения поступили от объемно-легированных TI Bi2Se3 [73] и (Pb,Sn)Te [74] и распространились на сверхпроводники на основе железа[75,76] и материал Ван-дер-Ваальса 2M-WS2. [77] Топологическая сверхпроводимость, индуцированная близостью, была заявлена на границе раздела Bi2Te3 и NbSe2 [78] и в нанопроволоках, контактирующих с простыми сверхпроводниками [79]. Однако происхождение MZM-подобных особенностей во всех отмеченных выше материалах до сих пор горячо обсуждается, что подчеркивает необходимость дальнейших поисков надежного топологического сверхпроводника. При этом посредством объединения 2D ТИ с перспективными 2D магнитными материалами, такими как CrTe2 и Fe3GeTe2, можно реализовать КАЭХ даже при комнатной температуре [80]. Бислой висмута и подобные двумерные ТИ, также называемые изоляторами Квантового спинового Холла, могут переключаться в другие фазы Квантового Холла посредством обменного взаимодействия [80,81] и, более того, возможно настраивать количество краевых каналов, что обещает новые низкоэнергетические приложения спинтроники [82]. Путем легирования и гетероструктурирования новых топологических материалов, в том числе недавно открытых собственных магнитных топологических изоляторов и полуметаллов Дирака, можно выйти за рамки существующих подходов и удовлетворить всем критериям реализации МЗМ.
Соединения легких редкоземельных элементов CeMn2Ge2 и NdMn2Ge2 в последнее время привлекают большое внимание как перспективные кандидаты для применения в спинтронике, поскольку марганцевая подрешетка в этих системах имеет сложную неколлинеарную спиновую структуру, приводящую к образованию скирмионов и скирмионных решеток при комнатной температуре и нулевом магнитном поле наряду с гигантским топологическим эффектом Холла [83, 84]. В NdMn2Ge2 существуют сложные магнитные порядки с фазовыми переходами при 480, 340, 240, 200 и 30 К, в которых участвуют либо только Mn, либо обе подрешетки Mn и Nd [84]. Аналогичным образом, SmMn2Ge2 [85] и GdMn2Ge2 [86] обнаруживают сложные магнитные фазовые диаграммы в объеме с конкурирующим ферро-, ферри- и антиферромагнитным упорядочением подрешеток RE и Mn. В зависимости от температуры могут наблюдаться различные магнитные конфигурации с различной ориентацией магнитных моментов 4f и 3d. В CeMn2Ge2, где атомы Ce оказались почти стабильными трехвалентными [87], по-видимому, не существует упорядочения моментов Ce [88]. При постепенном замещении Si на Ge система может перейти через режим Кондо в сторону смешанно-валентного поведения [87]. Возникает вопрос, могут ли эффекты поверхностной релаксации или изменения химического окружения на поверхности CeMn2Ge2 привести к аналогичной валентной нестабильности атомов Ce или же моменты Ce могут проявлять сложное взаимодействие с моментами Mn через f-d замена или взаимодействие Кондо. В более общем плане, релаксация поверхностной решетки, изменения кристаллического поля, нарушение симметрии и пониженная размерность на поверхности могут изменить взаимодействие Mn-Mn и RE-Mn и привести к неожиданным отклонениям от объемных свойств любого из этих соединений.
Семейство RECo2P2 также демонстрирует широкий диапазон изменений магнитного порядка. Магнитные свойства в этих системах критически зависят от расстояния между блоками Co2P2, разделенными РЗИ-ионами. EuCo2P2 служит наглядным примером, когда из-за значительно большего размера ионов Eu2+ по сравнению с трехвалентными ионами в других представителях этого семейства, магнетизм в подрешетке Co полностью подавлен [89]. Для Pr, Nd и Sm моменты Co антиферромагнитно упорядочены очень близко к комнатной температуре [90]. Это делает эти системы и, в частности, их поверхности с окончанием P-Co-P особенно интересными для практического применения в магнитных устройствах. Поэтому предлагается исследование, сочетающее измерения ФЭСУР кристаллических поверхностей и расчеты из первых принципов для изучения свойств этих материалов и оценки потенциала их применения.
Лучшее теоретическое понимание этих систем требует экспериментальных данных о магнетизме 3d и 4f, специфичном для отдельных атомных позиций, а также степени локализации задействованных 3d и 4f состояний. Систематическое исследование, сравнивающее обе подрешетки и их взаимодействие на магнитной фазовой диаграмме, все еще отсутствует и могло бы дать ценную базу для развития эффективных теоретических подходов к моделированию магнетизма в этих сложных системах.
Для большинства РЗЭ кристаллическое поле играет ведущую роль в ориентации магнитных моментов и возникновении магнитных фазовых переходов при изменении температуры. Например, в стабильном трехвалентном соединении DyRh2Si2 магнитные моменты Dy 4f, ориентированные перпендикулярно слоям между 18K и 52K, начинают наклоняться при охлаждении ниже 18К, причем угол наклона зависит от температуры [91]. Так проявляется взаимодействие 4f состояний с кристаллическим полем. По зависимости формы 4f фотоэлектронных спектров от температуры можно судить об ориентации 4f моментов в основном состоянии, косвенно получая информацию о кристаллическом поле [92].
Эффекты, связанные с изменением ориентации 4f моментов, можно использовать, чтобы управлять электронной структурой поверхностных состояний. В качестве примера можно привести антиферромагнетик HoRh2Si2 [93]. Когда Ho 4f моменты разупорядочены, спины электронов поверхностного состояния заперты в ab-плоскости из-за эффекта Рашбы. При постепенном понижении температуры Ho 4f моменты сначала выстраиваются вдоль направления c (перпендикулярно слоям), и обменное взаимодействие ориентирует спины электронов на поверхности перпендикулярно ab-плоскости. Ниже 15К 4f моменты постепенно отклоняются от оси c, меняется направление магнитного поля, что приводит к изменению обменного взаимодействия и, в конечном итоге, к изменению электронной структуры поверхностных состояний [93].
Касательно новой элементной базы нейроморфной архитектуры можно отметить следующее. Успешная аппаратная реализация нейроморфных систем на базе мемристивных структур была продемонстрирована с использованием металлооксидных тонкопленочных композиций TiN/TaOx/HfOx/TiN (до 32 уровней по сопротивлению) [94] и Pt/AlxOy/TiO2/Pt (до 92 уровней по сопротивлению) [95]. Современная реализация многоуровневых мемристоров основана на создании градиента химического потенциала кислорода в сэндвич-структурах. Как правило, такая структура образована двумя слоями: активным с низкой подвижностью кислородных вакансий и вспомогательным слоем с большой подвижностью вакансий. Проводимость активного слоя (HfOx, AlxOy) определяет резистивное состояние мемристивной структуры. Вспомогательный слой (TaOx или TiO(2-x)) обычно рассматривается как резервуар кислородных вакансий. Касательно механизмов, отвечающих за резистивное переключение в мемристорах, можно выделить филаментарную и нефиламентарную гипотезы. В первом случае изменение проводимости пленок оксидов переходных металлов связывают с формированием филамента, состоящего из кислородных вакансий и катионов металла. Считается, что проводимость мемристивной структуры в этом случае определяется образованием квантового точечного контакта, баллистическим транспортом электронов по проводящему филаменту и ионным транспортом анионов кислорода [96]. В мемристивных структурах с нефиламентарным типом переключения перестройка сопротивления определяется модуляцией высоты потенциальных барьеров на интерфейсе с одним из электродов структуры. Несомненным преимуществом структур с нефиламентарным типом является возможность повышения линейности перестроечных характеристик [97]. Однако в таких структурах более явно выражен дрейф рабочих параметров устройства во времени, обусловленный диффузией ионов кислорода O2− в отсутствии внешнего поля. С целью минимизации вклада релаксационных процессов в устройствах с нефиламентарным механизмом переключения в состав композиции вводят дополнительный слой на интерфейсе между мемристивным слоем и электродом. В качестве такого слоя может выступать тонкая пленка нестехиометрического оксида, роль которого сводится к связыванию ионов кислорода O2−, диффундирующих из мемристивного слоя. В рамках  общепринятого подхода к созданию многоуровневых мемристивных структур эффект резистивной перестройки связывают с изменением концентрации точечных дефектов (кислородных вакансий) в рабочем слое и их перераспределением в структуре. Поскольку характеристики оксидных слоев сильно влияют на особенности переключения между резистивными состояниями, в данной части проекта будет изучаться взаимосвязь между степенью отклонения от стехиометрии тонких пленок широкого спектра оксидов с их электрофизическими, транспортными и мемристивными свойствами.

Список используемой литературы
1.X.-L. Qi, T. L. Hughes, and S.-C. Zhang, “Topological field theory of time-reversal invariant insulators,” Phys. Rev. B, vol. 78, p. 195424, 2008.
2.X.-L. Qi, and S.-C. Zhang, “Topological insulators and superconductors,” Rev. Mod. Phys., vol. 83, p. 1057, 2011.
3.C.-Z. Chang, J. Zhang, X. Feng, and et. al., “Experimental observation of the quantum anomalous hall effect in a magnetic topological insulator,” Science, vol. 340, pp. 167–170, 2013.
4.Y. Tokura, K. Yasuda, and A. Tsukazaki, “Magnetic topological insulators,” Nature Reviews Physics, vol. 1, p. 126, 2019.
5.C.-Z. Chang, W. Zhao, D. Y. Kim, and et. al., “High-precision realization of robust quantum anomalous hall state in a hard ferromagnetic topological insulator,” Nat. Mater., vol. 14, pp. 473– 477, 2015.
6.J. Wang, B. Lian, X.-L. Qi, and S.-C. Zhang, “Quantized topological magnetoelectric effect of the zero-plateau quantum anomalous hall state,” Phys. Rev. B, vol. 92, p. 081107, 2015.
7.Z. Liu and J. Wang, “Anisotropic topological magnetoelectric effect in axion insulators,” Phys. Rev. B, vol. 101, p. 205130, 2020.
8.S.-Y. Xu, M. Neupane, C. Liu, and et. al., “Hedgehog spin texture and berry’s phase tuning in a magnetic topological insulator,” Nature Physics, vol. 8, p. 616, 2012.
9.Y. L. Chen, J.-H. Chu, J. G. Analytis, and et. al., “Massive dirac fermion on the surface of a magnetically doped topological insulator,” Science, vol. 329, pp. 659–662, 2010.
10.J. Checkelsky, J. Ye, Y. Onose, Y. Iwasa, and Y. Tokura, “Dirac-fermion-mediated ferromagnetism in a topological insulator,” Nat. Phys., vol. 8, pp. 729–733, 2012.
11.A.M. Shikin, A. Rybkina, D. Estyunin, and et. al., “Signatures of in-plane and out-of-plane magnetization generated by synchrotron radiation in magnetically doped and pristine topological insulators,” Phys. Rev. B, vol. 97, p. 245407, 2018.
12.А.М. Shikin, D. Estyunin, et al., “Dirac gap opening and dirac-fermion-mediated magnetic coupling in antiferromagnetic gd-doped topological insulators and their manipulation by synchrotron radiation,” Sci. Rep., vol. 18, p. 4813, 2019.
13.Y. Deng, Y. Yu, M. Z. Shi, Z. Guo, Z. Xu, J. Wang, X. H. Chen, and Y. Zhang, “Quantum anomalous hall effect in intrinsic magnetic topological insulator mnbi2te4,” Science, vol. 367, p. 895, 2020.
14.M. Gibertini, M. Koperski, A. Morpurgo, and K. Novoselov, “Magnetic 2d materials and heterostructures,” Nat. Nanotechnol., vol. 14, pp. 408–419, 2019.
15.K. Burch, D. Mandrus, and J. Park, “Magnetism in two-dimensional van der waals materials,” Nature, vol. 563, pp. 47–52, 2018.
16.X. Lin, W. Yang, K. Wang, and W. Zhao, “Two-dimensional spintronics for lowpower electronics,” Nat. Electron., vol. 2, pp. 274–283, 2019.
17.T. Jungwirth, X. Marti, P. Wadley, and J. Wunderlich, “Antiferromagnetic spintronics,” Nat. Nanotechnol., vol. 11, pp. 231–241, 2016.
18.L. Smejkal, Y. Mokrousov, B. Yan, and A. H. MacDonald, “Topological antiferromagnetic spintronics,” Nat. Phys., vol. 14, pp. 242–251, 2018.
19.V. Baltz, A. Manchon, M. Tsoi, T. Moriyama, T. Ono, and Y. Tserkovnyak, “Antiferromagnetic spintronics,” Rev. Mod. Phys., vol. 90, p. 015005, 2018.
20.M. Otrokov, I. Klimovskikh, H. Bentmann, and et al., “Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator,” Nature, vol. 576, p. 416, 2019.
21.D. Zhang, M. Shi, T. Zhu, D. Xing, H. Zhang, and J. Wang, “Topological axion states in the magnetic insulator mnbi2te4 with the quantized magnetoelectric effect,” Phys. Rev. Let., vol. 122, p. 206401, 2019.
22.J. Li, Y. Li, S. Du, Z. Wang, B.-L. Gu, S.-C. Zhang, K. He, W. Duan, and Y. Xu, “Intrinsic magnetic topological insulators in van der waals layered mnbi2te4-family materials,” Sci. Adv., vol. 15, p. eaaw5685, 2019.
23.Y. Gong, J. Guo, J. Li, and et. al., “Experimental realization of an intrinsic magnetic topological insulator,” Chinese Phys. Lett., vol. 36, p. 076801, 2019.
24.S. Lee, Y. Zhu, Y. Wang, and collaboration, “Spin scattering and noncollinear spin structureinduced intrinsic anomalous hall effect in antiferromagnetic topological insulator mnbi2te4,” Phys. Rev. Research, vol. 1, p. 012011, 2019.
25.Z. Aliev, I. Amiraslanov, D. Nasonova, A. Shevelkov, N. Abdullayev, Z. Jahangirli, E. Orujlu, M. Otrokov, N. Mamedov, M. Babanly, and E. Chulkov, “Novel ternary layered manganese bismuth tellurides of the mnte-bi2te3 system: Synthesis and crystal structure,” J. Alloys Compd, vol. 789, pp. 443–450, 2019.
26.Y. Hao, P. Liu, Y. Feng, and et al., “Gapless surface dirac cone in antiferromagnetic topological insulator mnbi2te4,” Phys. Rev. X, vol. 9, p. 041038, 2019.
27.Y. Chen, L. Xu, J. Li, and et. al., “Topological electronic structure and its temperature evolution in antiferromagnetic topological insulator mnbi2te4,” Phys. Rev. X, vol. 9, p. 041040, 2019.
28.P. Swatek, Y. Wu, L. Wang, K. Lee, B. Schrunk, J. Yan, and A. Kaminski, “Gapless dirac surface states in the antiferromagnetic topological insulator mnbi2te4,” Phys. Rev. B, vol. 101, p. 161109, 2020.
29.Liu, Y. Wang, H. Li, Y. Wu, Y. Li, J. Li, K. He, Y. Xu, J. Zhang, and Y. Wang, “Robust axion insulator and chern insulator phases in a two-dimensional antiferromagnetic topological insulator,” Nat. Mater., vol. 19, p. 522, 2020.
30.H.-R. Ji, Y.-Z. Liu, H. Wang, J.-W. Luo, J.-H. Li, H. Li, Y. Wu, X. Y., and J. Wang, “Detection of magnetic gap in topological surface states of mnbi2te4,” Chin. Phys. Lett., vol. 38, no. 10, p. 107404, 2021.
31.D.A. Estyunin, I. Klimovskikh, A. Shikin, E. F. Schwier, M. M. Otrokov, A. Kimura, S. Kumar, S. O. Filnov, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, and E. V. Chulkov, “Signatures of temperature driven antiferromagnetic transition in the electronic structure of topological insulator mnbi2te4,” APL Materials, vol. 8, p. 021105, 2020.
32.A.M. Shikin, D. Estyunin, I. Klimovskikh, and et. al., “Nature of the dirac gap modulation and surface magnetic interaction in axion antiferromagnetic topological insulator mnbi2te4,” Sci. Rep., vol. 10, p. 13226, 2020.
33.A.M. Shikin, D. Estyunin, N. Zaitsev, and et. al., “Sample-dependent dirac point gap in mnbi2te4 and its response to the applied surface charge: a combined photoemission and ab initio study,” Phys. Rev. B, vol. 104, p. 115168, 2021.
34.A.M. Shikin, D. Estyunin, N. Zaitsev, D. Glazkova, I. Klimovskikh, S. Finov, A. Rybkin, K. Kokh, O. Tereshchenko, K. Zvezdin, and A. Zvezdin, “Modulation of the dirac point band gap in the antiferromagnetic topological insulator mnbi2te4 due to the surface potential gradient change,” JETP, vol. 134, p. 103, 2022.
35.M. Garnica, M. M. Otrokov, P. Casado Aguilar, and et. al., “Native point defects and their implications for the dirac point gap at mnbi2te4(0001)m,” Quantum Materials, vol. 7, p. 7, 2022. 
36.Saxena, A., Rani, P., Nagpal, V. et al. “Crystal Growth and Characterization of Possible New Magnetic Topological Insulators FeBi2Te4,” J Supercond Nov Magn 33, 2251–2256, 2020.
37.W.-T. Guo, N. Yang, Z. Huang and J.-Mi. Zhang. “Novel magnetic topological insulator FeBi2Te4 with controllable topological quantum phase,” J. Mater. Chem. C,11, 12307-12319, 2023.
38.J. Liu and D. Vanderbilt. “Weyl semimetals from noncentrosymmetric topological insulators,” Phys. Rev. B 90, 155316, 2014.
39.N.P. Armitage et al., Weyl and Dirac semimetals in three-dimensional solids,  Reviews of modern Physics 90, 015001 (2018)
40.Y. Wang, Chemical requirements for stabilizing type-II Weyl points in MnBi2-zSbx Te4, ArXiv 2021
41.P. Wang et al., Intrinsic magnetic topological insulators, The innovations 2, 100098 (2021)
42.B.Q. Lv et al., Experimental perspective on three-dimensional topological semimetals, Rev. Mod. Phys. 93, 025002 (2021)
43.Zhang  et al., “Topological axion states in the magnetic insulator MnBi2Te4 with the quantized magnetoelectric effect”, PRL 122, 206401 (2019)
44.J. Li et al., Magnetically controllable topological phase transition in antifeffomagnetic topological insulator, Phys. Rev. B 100, 121103(R) (2019)
45.Hasan, M.Z., Chang, G., Belopolski, I. et al. “Weyl, Dirac and high-fold chiral fermions in topological quantum matter”, Nat Rev Mater 6, 784–803 (2021).
46.Y. Chen and H.-Y. Kee. “Helical Majorana fermions and flat edge states in the heterostructures of iridates and high-TC cuprates”, Phys. Rev. B 97, 085155 (2018).
47.R. S. Akzyanov and A. L. Rakhmanov. “Origin of the gap in the surface states of the antiferromagnetic topological insulator,”  arXiv, 2309.11216 (2023).
48.Tarasov, A.V., et al. Topological Phase Transitions Driven by Sn Doping in (Mn1−xSnx)Bi2Te4. Symmetry, 15, 469 (2023).
49.J. C. Slater and G. F. Koster. “Simplified LCAO Method for the Periodic Potential Problem,” Phys. Rev. 94, 1498, (1954).
50.G. F. Koster and J. C. Slater. “Simplified Impurity Calculation,” Phys. Rev. 96, 1208, (1954).
51.K. Takegahara et al. “Slater-Koster tables for f electrons”, J. Phys. C: Solid State Phys. 13, 583, (1980).
52.Papaconstantopoulos, D. in Handbook of the Band Structure of Elemental Solids 2nd edn (Springer, 2015).
53.T. Murakami, et al., Hypervalent Bismuthides La3MBi5 (M = Ti, Zr, Hf) and Related Antimonides: Absence of Superconductivity, Inorg. Chem., 56, 5041–5045 (2017).
54.J. F. Khoury, et al., A Class of Magnetic Topological Material Candidates with Hypervalent Bi Chains, J. Am. Chem. Soc. 144, 9785−9796 (2022)
55.L. Kane и E. J. Mele «𝑍2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect» Phys. Rev. Lett. 95, 146802 (2005)
56.V. T. Phong, N. R. Walet и F. Guinea «Effective interactions in a graphene layer induced by the proximity to a ferromagnet» 2D Materials vol. 5 N. 1, P. 014004. 
57.A. V. Eryzhenkov, A. V. Tarasov, A. M. Shikin, A. G. Rybkin «Non-Trivial Band Topology Criteria for Magneto-Spin-Orbit Graphene» Symmetry vol. 15(2) P.516 (2023)
58.Yinong Zhou и Feng Liu «Realization of an Antiferromagnetic Superatomic Graphene: Dirac Mott Insulator and Circular Dichroism Hall Effect» Nano Letters Vol. 21, N.1, P. 230 (2021) 
59.Niko Pavliˇcek, et al. «Synthesis and characterization of triangulene» Nature Nanotechnology volume 12, pages308–311 (2017)
60.S. Mishra, et al. «Large magnetic exchange coupling in rhombus-shaped nanographenes with zigzag periphery». Nature Chemistry vol. 13, p. 581–586 (2021)
61.D. M. Haldane «Model for a Quantum Hall Effect without Landau Levels: Condensed-Matter Realization of the "Parity Anomaly"» Phys. Rev. Lett. 61, 2015 (1988)
62.P. Bampoulis, et al. «Quantum Spin Hall States and Topological Phase Transition in Germanene» Phys. Rev. Lett. 130, 196401 (2023)
63.H. Takenaka, S. Sandhoefner, A. A. Kovalev, E. Y. Tsymbal «Magnetoelectric control of topological phases in graphene» Phys. Rev. B 100, 125156 (2019)
64.V. S. Prudkovskiy, et al. «An epitaxial graphene platform for zero-energy edge state nanoelectronics» Nature Communications vol. 13, Article number: 7814 (2022)
65.J. Zhao, et al. «Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide» Nature vol. 625, p. 60–65 (2024)
66.A. S. Grashchenko, S. A. Kukushkin, A. V. Osipov, A. V. Redkov «Vacancy growth of monocrystalline SiC from Si by the method of self-consistent substitution of atoms» Catalysis Today vol. 397-399, P. 375-378 (2022)
67.L. Schneider, et al. «Controlling in-gap end states by linking nonmagnetic atoms and artificially-constructed spin chains on superconductors» Nature Communications vol. 11, Article number: 4707 (2020)
68.Y.-J. Chen, J.-Ph. Hanke, M. Hoffmann, G. Bihlmayer, Y. Mokrousov, S. Bl¨ugel, C. M. Schneider, C. Tusche «Spanning Fermi arcs in a two-dimensional magnet» Nature Communications vol. 13, Article number: 5309 (2022)
69.D. Marchenko, A. Varykhalov, A. Rybkin, A. M. Shikin и O. Rader «Atmospheric stability and doping protection of noble-metal intercalated graphene on Ni(111)» Applied Physics Letters 98, P. 122111 (2011)
70.S. O. Filnov, et al. «Room Temperature Ferromagnetism in Graphene/SiC(0001) System Intercalated by Fe and Co» Physica Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters N. 2300336 (2023)
71.Fu, L. & Kane, C. L.. Phys. Rev. Lett. 100, 096407 (2008)
72.Volovik, G. E. J. Exp. Theor. Phys. Lett. 70, 609–614 (1999)
73.Hsieh, T.H., and Fu, L.  Phys. Rev. Lett. 108, 107005 (2013)
74.R. Zhong Crystals 7(2), 55 (2017)
75.Xu, G., et al., Phys. Rev. Lett. 117, 047001 (2016)
76.Li, M., et al., Nature 606, 890 (2022)
77.Yuan, Y., et al. Nat. Phys. 15, 1046 (2019)
78.Xu, J.P., et al.. Phys. Rev. Lett. 114, 017001 (2015)
79.K.Flensberg, et al.,  Nature Reviews Materials  6, 944 (2021)
80.C.-Z. Chang et al., Rev. Mod. Phys. 95, 011002 (2023)
81.X. Zhou, et al., Nano Lett.  23, 12, 5680–5687 (2023)
82.Xue, et al. https://arxiv.org/abs/2212.12905  (2022)
83.Z. Hou et al., Mater. Today Phys. 17, 100341 (2021).
84.S. Wang et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 12, 24125 (2020).
85.H. Fujii and T. Okamoto, T. Shigeoka and N. Iwata, Solid State Commun., 53 715-717 (1985).
86.H. Kobayashi, H. Onodera, and H. Yamamoto, J. Magn. Magn. Mater. 79 76-80 (1989) .
87.G. Liang and M. Croft, Phys. Rev. B 40, 361 (1989).
88.M. F. Md Din et al., Sci. Rep. 5, 1 (2015).
89.M. Reehuis, W. Jeitschko, G. Kotzyba, B. Zimmer, X. Hu, J. Alloys Compd. 266 54–60 (1998).
90.M. Reehuis and W. Jeitschko, J. Phys. Chem. Solids 51, 961 (1990). 
91.Melamud M. et al. Neutron diffraction study of the magnetic structure of the intermetallic compound DyRh2Si2 // J. Appl. Phys. 1984. Vol. 55. P. 2034–2035
92.Usachov D.Yu. et al. Insight into the Temperature-Dependent Canting of 4f Magnetic Moments from 4f Photoemission // J. Phys. Chem. Lett. 2023. Vol. 14. P. 5537–5545
93.Generalov A. et al. Spin Orientation of Two-Dimensional Electrons Driven by Temperature-Tunable Competition of Spin–Orbit and Exchange–Magnetic Interactions // Nano Lett. 2017. Vol. 17. P. 811–820
94.Yao, P, Wu, H., Gao, B., Tang, J. Fully hardware-implemented memristor convolutional neural network. Nature 577, 641–646 (2020).
95.Stathopoulos, S., Khiat, A., Trapatseli, M., Cortese, S., Serb, A., Valov, I., Prodromakis, T. Multibit memory operation of metal-oxide bi-layer memristors. Sci. Rep. 7, 17532 (2017).
96.Waser R. Nanoelectronics and Information Technology: Advanced Electronic Materials and Novel Devices. John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA. 2012. 1040 p.
97.Park S., Klett S., Ivanov T. et al. Engineering method for tailoring electrical characteristics in TiN/TiOx/HfOx/Au bi-layer oxide memristive devices. Front. Nanotechnol. 3, 670762 (2021).

4.3.7.6. Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта.

В рамках проекта будут проведены исследования возможностей формирования нового типа магнитных топологических систем, а также детальный анализ особенностей электронной и спиновой структуры формируемых систем и возможности широкой модуляции поверхностных свойств данных систем. В качестве объектов исследования выбраны ТИ из семейства MnBi2Te4 (с уникальными топологическими свойствами) с контролируемым частичным замещением атомов с большим атомным СОВ (Te и Bi) на атомы с меньшим атомным СОВ (Se, S, Sb), а также частичной замены части атомов магнитного металла (Mn) атомы на немагнитных элементов (Ge,Sn,Pb) или частичного замещения атомов переходного магнитного металла Mn на атомы других d-элементов (Co, Fe и т.д.), а также на атомы 4f-элементов (Gd, Eu и т.д) с эффективной модуляцией магнитных и топологических свойств.
Основной подход при выполнении проекта будет заключаться в широком сочетании теоретических и экспериментальных методов исследования. Инструментами теоретического анализа станут расчеты в рамках теории функционала плотности (ТФП), метод сильной связи (МСС), а также метод Корринга – Кона – Ростокера (ККР), обеспечивающий возможность плавного изменения концентрации примеси в выбранных атомных позициях. Моделирование магнитных свойств систем по рассчитанным в ККР обменным интегралам будет производиться с учетом температурных эффектов методом Монте-Карло. Для построения МСС модели в рамках методики Слэтера—Костера на основе ТФП расчета будет использовано программное обеспечение, разработанное участниками коллектива. В соответствии с данной методикой получаемые в методе МО ЛКАО матричные элементы оператора энергии анализируются с целью удаления несущественных по величине дальних перекрываний. На следующем шаге анализируется угловая зависимость матричных элементов с учётом имеющихся локальных кристаллических симметрий с целью приведения совокупности элементов с определёнными значениями углового момента L к очень небольшому числу радиальных интегралов Слэтера—Костера (интегралы Vss, Vspσ, Vppσ, Vppπ и т.д.), которые отражают силу ковалентных химических связей в данном кристалле. После выявления существенных для конкретной физической проблемы элементов Слэтера—Костера по ним строится модельная зонная структура системы. Построенная таким образом по результатам ТФП-расчётов систем с поверхностью модель будет автоматически учитывать особенности атомной и электронной структур, связанные именно с наличием поверхности в кристалле. Кроме первопринципных теоретических методов при решении задач проекта будут использованы уже опробированные нами ранее аналитические методы для теоретического описания свойств магнитных полупроводников с сильным спин-орбитальным взаимодействием и в процессе исследований нам предстоит разработать новые аналитические подходы. Данные аналитические методы будут интегрированы с численными методиками, такими как приближение сильной связи и теория функционала плотности.
Проведенные различными теоретическими методиками расчеты будут использованы для предварительного анализа электронной структуры, а также физико-химических и магнитных свойств формируемых систем нового типа, с последующим синтезом наиболее перспективных структур с детальным экспериментальным анализом их электронной и спиновой структуры, а также магнитных свойств - методами фотоэлектронной и ренгеноэлектронной спектроскопии, методами рентгеновской дифракции и дифракции медленных электронов, а сверхпроводящей SQUID-магнитометрии и атомной силовой микроскопии с анализом магнитной поверхностной структуры.
В качестве основного метода получения тонких пленок систем на основе топологических изоляторов предполагается использовать метод эксфолиации от объемных кристаллов топологических изоляторов. Объемные кристаллы будут синтезированы участниками проекта. Анализ толщины и качества поверхности будет проводиться при помощи атомно силовой микроскопии, электронной микроскопии, а также рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Для решения данной задачи будет активно использовать оборудование ресурсных центров СПбГУ «Нанотехнологии» и «Физические методы исследования поверхности». Для изготовленных и охарактеризованных тонких пленок ожидается проведение транспортных и магнито-транспортных измерений с использованием оборудования РЦ СПбГУ «Центр диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники». Кроме того, для тонких пленок планируется изучение их электронной структуры в зависимости от толщины при помощи фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Для этого предполагаются поездки на источники синхротронного излучения, например, НИЦ Курчатовский институт и ЦКП «СКИФ» (при наличии доступного оборудования). 
В рамках проекта для исследования электронной и спиновой структуры систем на основе графена будет использоваться комплекс современных экспериментальных и теоретических методов и подходов. Будет изучена электронная энергетическая структура валентной зоны методом фотоэлектронной спектроскопии с высоким угловым разрешением (ARPES) с использованием лабораторных источников в Научном парке СПбГУ и в Институте физики полупроводников СО РАН. Методом фотоэлектронной спектроскопии в режиме мягкого рентгеновского излучения (XPS) будет проанализирована структура остовных уровней с использованием как лабораторных источников, так и синхротронного источника излучения в Курчатовском центре. Исследования структуры валентной зоны с помощью ARPES с варьируемой энергией фотонов и поляризацией излучения будут проведены в центрах синхротронного излучения в рамках проекта при наличии такой возможности. Следует отметить, что методы фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) и фотоэлектронная спектроскопия остовных уровней (XPS) хорошо и надежно зарекомендовали себя как достаточно информативные методы, комбинирование которых позволяет детально изучить и проанализировать особенности электронного строения материала.
Методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) планируется исследовать атомную структуру поверхности графен-содержащих систем. При этом, благодаря единым вакуумным условиям в уникальной научной установке “Нанолаб” (оборудование Научного парка СПбГУ) имеется возможность СТМ измерений in situ после ARPES измерений, не нарушая вакуумных условий во время синтеза графен-содержащих систем. Это позволит более точно характеризовать атомную структуру поверхности с атомарным разрешением. Для анализа кристаллической структуры поверхности будет использоваться метод дифракции медленных электронов (ДМЭ). Метод ДМЭ может использоваться непосредственно в аналитической камере для контроля качества получаемых систем и ориентации образцов в требуемом направлении зоны Бриллюэна для ARPES измерений. Для анализа микроскопической структуры поверхности синтезированных систем будет использоваться метод сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
С помощью СКВИД-магнитометра или магнитооптического эффекта Керра будут изучены магнитные свойства полученных систем. Для исследования транспортных свойств (удельное сопротивление, эффекты Холла и Рашбы-Эдельштейна) будет использован комплекс для исследования физических свойств материалов в широком диапазоне температур и магнитных полей PPMS-9 + EverCool-II. Важной задачей в рамках проекта является решение проблемы создания омических контактов на поверхности синтезированных систем для качественного измерения транспортных характеристик.
Фотоэлектронный спектрометр ESCALAB 250Xi, расположенный в ресурсном центре «Физические методы исследования поверхности» (РЦ «ФМИП») Научного парка СПбГУ, будет использоваться для количественной оценки элементного состава тонких металлооксидных пленок с различной степенью отклонения от стехиометрии, варьируемой толщиной и отличающихся шириной запрещенной зоны. Рост образцов металлооксидных пленок и измерения электрофизических свойств будут выполнены нашими коллегами из Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», накопившими большой опыт в создании и изучении транспортных механизмов тонкопленочных мемристивных композиций. Отметим, что часть экспериментов с измерением вольт-амперных характеристик соответствующих структур может быть также выполнена на установке Нанолаб РЦ «ФМИП» методами сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии в широком диапазоне температур (30-300К).
Проектирование, синтез и исследование гетероструктур требуют междисциплинарного подхода, который будет включать синтез, транспорт и спектроскопические исследования. Достижение амбициозных целей проекта требует создания атомарно чистых границ раздела между разнородными материалами – это планируется осуществить, используя передовую технику молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Для понимания  фундаментальных механизмов будут осуществляться измерения электронной структуры in-situ, в частности, с помощью фотоэлектронной спектроскопии (PES) с угловым и спиновым разрешением и сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии (STM(S)). Экспериментальные исследования будут подкреплены расчетами ab initio. Также будут предприняты попытки использовать квантовые эффекты, обнаруженные в новых гетероструктурах, в практических приложениях, путем измерения транспортных свойств, которые затем могут быть использованы для создания прототипов квантовых устройств.

4.3.7.7. Имеющийся у коллектива исполнителей научный задел по проекту (в данном пункте заполняется текстовое описание задела, а размещение прочей подтверждающей информации описано в п. 4.3.20).

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 авторами проекта с использованием методов фотоэлектронной спектроскопии с высоким угловым и спиновым разрешением. 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.
Руководитель и члены научного коллектива проекта имеют богатый опыт по изучению поверхностных состояний магнитных ТИ. В работе [1] методами ТФП проведены расчеты электронной и спиновой структуры топологических поверхностных состояний (ТПС) для антиферромагнитных ТИ MnBi4Te7 и MnBi6Te10, состоящих из последовательно расположенных магнитных семислойных блоков (СБ) MnBi2Te4, разделенных немагнитными пятислойными блоками Bi2Te3. Особую важность для настоящего проекта имеет работа [2], в которой были проанализированы различные факторы, ответственные за изменения энергетической запрещенной зоны (ЭЗЗ) в MnBi2Te4, и предложены некоторые способы целенаправленной модуляции ЭЗЗ. Показано, что при изменении поверхностного ван-дер-ваальсова интервала и силы поверхностного СОВ локализация ТПС смещается между поверхностными СБ с противоположной намагниченностью, что приводит к немонотонному изменению ЭЗЗ, а минимум последней соответствует точке изменения знака возникающего обменного поля. Более того, было показано, что ЭЗЗ можно эффективно модулировать путем замены магнитных атомов Mn в поверхностном слое на немагнитные или атомов Bi и Те на атомы элементов с более низкой величиной СОВ, что позволяет создавать синтетические слоистые топологические системы с целенаправленной модификацией свойств поверхности. Кроме того, в работе [3] было изучено влияние структурных параметров на особенности электронной структуры ТПС MnBi2Te4. Полученные результаты позволяют предположить, что основным параметром, определяющим величину ЭЗЗ, является пространственная локализация ТПС, на которую могут сильно влиять структурные изменения, происходящие на поверхности кристалла. В части изучения магнитных ТИ отдельно стоит подчеркнуть недавнюю работу руководителя проекта и членов научного коллектива [4], в которой было проведено теоретическое моделирование изменений электронной структуры, происходящих с ростом концентрации атомов Sn в положениях Mn в соединении (Mn1-xSnx)Bi2Te4 как с использованием подхода функций Грина в методе ККР, так и применением широко распространенного подхода расчета суперячеек с примесными атомами в методах ТФП. Результаты данной работы, полученные методами ККР и ТФП, показали нелинейную зависимость ЭЗЗ от концентрации атомов Sn в положениях Mn. Характерная её особенность, которая ярко проявляется в результатах метода ККР, состоит в наличии плато с нулевой ЭЗЗ, что может свидетельствовать о наличии топологических фазовых переходов в изучаемой системе.
В рамках осуществления обозначенных в проекте задач, участниками коллектива написана программа, осуществляющая анализ матричных элементов оператора энергии, полученных в результате ТФП-расчётов, проведённых в вычислительном пакете OpenMX. Помимо этого, коллектив авторов располагает широкими возможностями для проведения трудоемких расчетов в Вычислительном центре СПбГУ и Межведомственном Суперкомпьютерном Центре РАН, чем будет обеспечиваться успешность проведения теоретических исследований в рамках проекта.
С участием авторов проекта впервые проведены систематические исследования спинового расщепления электронных состояний графена на ферромагнетиках и немагнитных металлах. Впервые обнаружен эффект гигантского расщепления Рашбы в графене на монослое Au и на подложке Pt(111), абсолютно не достижимый ранее в изолированном графене [5-8].
Авторами проекта впервые синтезирован и исследован магнитно-спин-орбитальный графен на металлической подложке [9,10]. Методика синтеза однодоменного графена на Co(0001) позволила создать новый материал, магнитно-спин-орбитальный графен, и наделить его свойствами кобальта и золота — магнетизмом и спин-орбитальным взаимодействием. Одной из областей применения полученного магнитно-спин-орбитального графена может стать квантовый компьютер. Сейчас элементы информации (кубиты) для квантовых вычислений делают в основном на холодных атомах или сверхпроводящих переходах. Основной проблемой прототипов квантовых компьютеров остается скорость: кубиты не успевают сделать нужное количество операций и сохранить результат вычислений из-за взаимодействия с внешней средой. Одним из решений этой проблемы может стать изготовление кубитов на новых «квантовых» материалах — например, на основе магнитно-спин-орбитального графена. 
Для реализации магнитно-спин-орбитального графена на неметаллической подложке авторами проекта была отработана методика синтеза буферного (нулевого) слоя графена на подложке 6H-SiC(0001) и изучена его электронная структура в широком энергетическом диапазоне с использованием теоретических и экспериментальных методов [11]. Проведено всестроннее исследование интеркаляции атомов магнитного металла Co под буферный слой графена на SiC(0001). Показано, что в результате такого синтеза происходит формирование квазисвободного монослойного графена на магнитном ультратонком слое силицидов кобальта. Полученные результаты являются основой для дальнейшей реализации магнитно-спин-орбитального графена на полупроводниковой подложке и являются важными для будущего применения графена в спинтронике. 
На основе проведенных научных исследований с авторами проекта получено 4 патента Российской Федерации. Разработаны модели электронных устройств на основе графена и его контакта с тяжелыми металлами (Au и Pt) и магнитным металлом (Co) – это усовершенствованный графеновый спиновый фильтр [12,7], устройство записи информации для магниторезистивной памяти SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM), работающее без использования внешнего магнитного поля [13-15], а также инфракрасный детектор циркулярно-поляризованного излучения на основе графена [16]. Подобные устройства, позволяющие манипулировать спин-поляризованными электронами, могут быть использованы в качестве средств обработки и передачи информации в квантовых компьютерах.
Разработанные с участием автора проекта устройства относятся к технологиям хранения информации и квантовых вычислений. Продемонстрирована термическая стабильность системы в реальных условиях, что является стандартным требованием для систем хранения информации CMOS. Несмотря на значительный вклад проведенных авторами проекта исследований в развитие графеновой наноэлектроники, остается достаточно нерешенных проблем, связанных в первую очередь с эпитаксиальным синтезом слоистых наносистем с заданными свойствами на основе графена и подложки SiC для реализации в них квантовых эффектов. Для этого необходимо проведение тщательных и последовательных поисковых исследований для достижения поставленной цели и прорыва в данной области.
Члены научного коллектива достигли существенных результатов в изучении электронных и магнитных свойств разнотипных тройных соединений на основе РЗЭ, что составляет задел для выполнения соответствующих задач проекта. В частности, авторами проекта была разработана методология, которая позволяет исследовать валентность и магнитные свойства 4f-систем в отсутствие эффектов кристаллического поля [17]. По мере развития данной тематики были исследованы эффекты кристаллического поля в приповерхностной области стабильных трехвалентных соединений TbRh2Si2, DyRh2Si2 и HoRh2Si2 [18,19]. Было показано, что кристаллическое поле в объеме данных материалов оказывается намного меньше, чем на поверхности. В рамках проекта планируется более подробное исследование данного явления в аналогичных системах, где Rh заменен на Ir с целью усиления спин-орбитального взаимодействия.
Особое внимание стоит обратить на разработанный подход для качественной оценки свойств основного состояния РЗ-ионов в отдельных атомных слоях на поверхности и в приповерхностной области квазидвумерных кристаллов на основе классических фотоэмиссионных 4f-спектров [20]. Он позволяет легко понять, как ориентированы 4f магнитные моменты в отдельных слоях РЗЭ и проанализировать их отличие от объема кристалла. Представленная методология одинаково применима к системам в ферромагнитном, антиферромагнитном или даже парамагнитном состоянии, и не требует внешнего магнитного поля. Нами были рассчитаны фотоэмиссионные 4f-спектры для всех |MJ⟩ основных состояний РЗ-ионов с открытыми 4f оболочками, а также спектры для различных направлений полного 4f момента. Простое сравнение измеренного 4f-спектра с полученной нами базой данных дает полезную информацию об основном состоянии для парамагнитной фазы и позволяет определить и предсказать ориентации магнитных моментов в различных атомных слоях в магнитно-упорядоченных фазах. Для семейства [RE]T2Si2 было показано, что направление 4f моментов в РЗ-слоях на поверхности зачастую ортогонально направлению моментов в нижележащих РЗ-слоях, что связано с различием кристаллического поля на поверхности и в объеме кристалла. Полученные результаты создали прочную основу для будущих исследований магнитоактивных слоистых материалов, содержащих РЗЭ.
Благодаря имеющемуся опыту членов научного коллектива по изучению электронной и спиновой структуры низкоразмерных систем и использованию широких экспериментальных возможностей Научного парка СПбГУ и российских научных институтов РАН, обеспечивается успешность проведения научных исследований в рамках проекта, а полученные результаты будут являться надежными и актуальными для развития современной спинтроники.

Ссылки на источники
1. A. M. Shikin, N. L. Zaitsev, A. V. Tarasov, T. P. Makarova, D. A. Glazkova, D. A. Estyunin & I. I. Klimovskikh. Electronic and spin structure of topological surface states of MnBi4Te7 and MnBi6Te10 and their modification by an applied electric field. JETP Letters vol. 116, issue 8, page 556-566 (2022). Q2. DOI: 10.1134/S0021364022601890
2. A. M. Shikin, T. P. Makarova, A. V. Eryzhenkov, D. Yu. Usachov, D. A. Estyunin, D. A. Glazkova, I. I. Klimovskikh, A. G. Rybkin, A. V. Tarasov. Routes for the topological surface state energy gap modulation in antiferromagnetic MnBi2Te4. Physica B: Condensed Matter 649, 15, 414443 (2023). Q2. DOI: 10.1016/j.physb.2022.414443
3. Makarova, T.; Shikin, A.; Eryzhenkov, A.; Tarasov, A. Influence of Structural Parameters on the Electronic Structure of Topological Surface States in MnBi2Te4. J. Exp. Theor. Phys. 2023, 136, 630–637.
4. Tarasov, A.V.; Makarova, T.P.; Estyunin, D.A.; Eryzhenkov, A.V.; Klimovskikh, I.I.; Golyashov, V.A.; Kokh, K.A.; Tereshchenko, O.E.; Shikin, A.M. Topological Phase Transitions Driven by Sn Doping in (Mn1−xSnx)Bi2Te4. Symmetry, 15, 469 (2023). Q2. DOI: 10.3390/sym15020469
5. A.M. Shikin, A.G. Rybkin, D. Marchenko, A.A. Rybkina, M.R. Scholz, O. Rader, A. Varykhalov, “Induced spin–orbit splitting in graphene: the role of atomic number of the intercalated metal and π–d hybridization”, New J. Phys., 15, 013016 (2013)
6. I. I. Klimovskikh, S. S. Tsirkin, A. G. Rybkin, A. A. Rybkina, M. V. Filianina, E. V. Zhizhin, E. V. Chulkov, and A. M. Shikin Nontrivial spin structure of graphene on Pt(111) at the Fermi level due to spin-dependent hybridization// Physical Review B 90, 235431 (2014)
7. A. A. Rybkina, A. G. Rybkin, V. K. Adamchuk, D. Marchenko, A. Varykhalov, J. Sanchez - Barriga and A M Shikin «The graphene/Au/Ni interface and its application in the construction of a graphene spin filter» Nanotechnology 24, 295201 (2013)
8. E.V. Zhizhin, A. Varykhalov, A.G. Rybkin, A.A. Rybkina, D.A. Pudikov, D. Marchenko, J. Sánchez-Barriga, I.I. Klimovskikh, G.G. Vladimirov, O. Rader, A.M. Shikin "Spin splitting of Dirac fermions in graphene on Ni intercalated with alloy of Bi and Au" Carbon, 93 pp. 984 – 996 (2015)
9. 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)
10. 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)
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. Патент RU №2585404 C1 "Графеновый спиновый фильтр". Дата выдачи: 06.05.2016. Дата приоритета: 09.04.2015. Авторы: Шикин А.М., Рыбкина А.А., Рыбкин А.Г., Цыганов А.Б., Адамчук В.К.
13. Патент RU №2677564 "Устройство записи информации для магниторезистивной оперативной памяти". Дата выдачи: 17.01.2019. Дата приоритета: 01.11.2017. Авторы: Шикин А.М., Рыбкина А.А., Рыбкин А.Г., Климовских И.И., Скирдков П.Н.
14. Патент RU №179295U1 "Быстродействующее графеновое записывающее устройство магниторезистивной памяти". Дата выдачи: 07.05.2018, дата приоритета: 02.11.2017. Автор: Рыбкина А.А.
15. A. A. Rybkina, A. G. Rybkin, I. Klimovskikh, P. N. Skirdkov, K. A. Zvezdin, A. K. Zvezdin and A. M. Shikin "Advanced graphene recording device for spin–orbit torque magnetoresistive random access memory" Nanotechnology, 31 165201 (2020)
16. Патент RU № 2805784 "Инфракрасный детектор циркулярно-поляризованного излучения на основе графена" Дата выдачи: 24.10.2023 г. Авторы: Рыбкин А.Г., Рыбкина А.А., Тарасов А.В., Ерыженков А.В., Шикин А.М.
17. Usachov D.Yu. et al. Photoelectron diffraction for probing valency and magnetism of 4f-based materials: A view on valence-fluctuating EuIr2Si2 // Phys. Rev. B. 2020. Vol. 102. P. 205102
18. Tarasov A.V. et al. Crystal electric field and properties of 4f magnetic moments at the surface of the rare-earth compound TbRh2Si2. // Phys. Rev. B 2022. Vol. 106. P. 155136
19. Usachov D.Yu. et al. Insight into the temperature-dependent canting of 4f magnetic moments from 4f photoemission // J. Phys. Chem. Lett. 2023. Vol. 14. P. 5537–5545
20. Usachov D.Yu. et al. Estimating the Orientation of 4f Magnetic Moments by Classical Photoemission. // J. Phys. Chem. Lett. 2022. Vol. 13. P. 7861–7869

4.3.7.8. Детальный план работы на первый год выполнения проекта.

1. Теоретические расчеты и экспериментальный анализ синтетических слоистых систем на основе семейства АФМ ТИ со стехиометрией MnBi2Te4 при контролируемом замещении части атомов с большим атомным спин-орбитальным взаимодействием на атомы с меньшим спин-орбитальном взаимодействием, а также атомов магнитного металла Mn  на атомы немагнитных элементов и других магнитных металлов различной природы (переходных и редкоземельных металлов), путем изменения их взаимных концентраций, включая тонкие пленки исследуемых топологических квантовых материалов. Анализ электронной и магнитной структуры полученных систем и их электрофизических свойств (включая возможность реализации ТФП в таких системах), а также взаимосвязи ТФП с изменениями электронной структуры.
2. Построение теоретической модели магнитных топологических фазовых переходов для объемных магнитно-упорядоченных ТИ изоляторов из семейства на основе MnBi2Te4 с привлечением методики Слэтера-Костера и ТФП-расчётов с использованием метода МО ЛКАО.
3. Теоретическое и экспериментальное изучение электронной структуры новых типов топологических изоляторов, включая соединения типа АIIBVI с различной стехиометрией и различной поверхностной терминацией, а также гетероинтерфейсов 2D-Топологический-изолятор/3D-Магнитный топологический материал и 2D магнит /топологический изолятор.
4. Теоретические исследования электронной и магнитной структуры систем на основе теллурида висмута и VTe2. Будет исследована динамика электронных и магнитных характеристик в зависимости от толщины топологического изолятора и блоков VTe2. Также будет произведен отбор систем для дальнейшего исследования в них возможности магнитного туннельного перехода.
5. Анализ возможности и отработка методики создания тонких пленок топологических изоляторов методом эксфолиации. Получение пленок топологических изоляторов толщиной несколько нанометров, что соответствует толщине в несколько структурных блоков, например, пятислойный блок Bi2Te3 – 1 нм, или семислойный блок MnBi2Te4 – 1.4 нм. Подготовка контактных площадок на поверхности тонких пленок и проведение экспериментов по изучению транспортных свойств, а также электронной структуры полученных тонких пленок топологических изоляторов. 
6. Синтез систем на основе графена на металлических и полупроводниковых подложках с интеркалированными ультратонкими слоями магнитных и/или тяжелых металлов. Детальные исследования электронной и спиновой структуры, а также кристаллической структуры полученных систем. Анализ возможности получения системы высокого структурного совершенства для реализации эффектов Холла на эпитаксиальных подложках. Построение теоретических моделей изучаемых интерфейсов с целью оценки их топологических свойств. На основе полученных результатов будет проведен анализ возможности практического использования синтезированных систем в электронных устройствах.
7. Создание и исследование гетероструктур бислоев Bi и Sn и ТИ из семейств (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m и (MnxA1-x)Bi2Te4, где A=Ge, Pb, Sn с регулировкой обменного взаимодействия и переходом в магнитную полуметаллическую фазу Дирака  Анализ топологических фазовых переходов, реализуемых в данных системах. Исследование гетероструктур с помощью ARPES и STM покажет структуру электронного интерфейса и поведение одномерных топологических состояний.
8. Теоретическое исследование электронной структуры и топологических свойств в периодических трехмерных немагнитных и магнитных гетероструктурах XBi4Te4 (X = Ge, Pb, Sn, Mn) в которых структурные блоки MnBi2Te4 или немагнитных изоструктурных аналогов чередуются с бислоями висмута. Будет детально изучено влияние химического состава на объёмную и поверхностную электронную структуру.
9. Для трехслойной гетероструктуры МИ/АФМТИ/МИ будет теоретически продемонстрировано, что вариация текстуры намагниченности в плёнке может провоцировать изменение её электронных спектральных и топологических свойств. Будут определены условия перехода между изолирующими и полуметаллическими фазами. Для плёнки АФМТИ как с чётным, так и с нечётным числом семислойных блоков будет построена топологическая фазовая диаграмма системы в координатах интерфейсный потенциал -- толщина плёнки -- угол между магнитными моментами. Будут описаны дисперсионные свойства электронных состояний плёнки АФМТИ в различных фазах. Будут найдены условия существования краевых электронных состояний и предсказаны их спектральные и пространственные характеристики. Кроме того, будет проанализирована перестройка магнитной конфигурации гетероструктуры МИ/АФМТИ/МИ и ее электронного спектра, вызванные длинноволновыми флуктуациями толщины пленки АФМ ТИ.
10. Теоретические исследования на основе ТФП-расчётов и МСС электронной структуры объёма и поверхности соединения Sm3ZrBi5. включающее немагнитное и магнитное состояние и определение его топологических свойств.
11. Синтез кристаллов редкоземельных интерметаллидов из семейств REMn2Ge2 и RET2P2 (RE = редкоземельные элементы, T = Co, Ir) и характеризация их объемных свойств. Проведение спектроскопических исследований электронной структуры с помощью фотоэмиссии, а также изучение строения поверхностей методом СТМ.
12. Исследование электронного строения поверхности монокристаллических соединений РЗЭ (RRh2Si2, RIr2Si2) методами ARPES и NEXAFS. Моделирование спектров NEXAFS для различных параметров кристаллического поля.
13. Исследования тонкопленочных (10 – 60 нм) нестехиометрических оксидов алюминия и титана методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) с использованием режима ионного травления  с целью определения диапазона величин отклонения от стехиометрии, обеспечивающего проявление мемристивных свойств. Синтез образцов и измерения электрофизических свойств будут выполнены нашими коллегами из Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». РФЭС измерения будут проведены на фотоэлектронном спектрометре ESCALAB 250Xi в ресурсном центре «Физические методы исследования поверхности» (РЦ «ФМИП») Научного парка СПбГУ.

4.3.7.9. Ожидаемые научные и (или) научно-технические результаты и их научная новизна и значимость (например, оценка соответствия запланированных результатов мировому уровню исследований, возможность практического использования запланированных результатов).

1. Будет проведен детальный анализ возможности топологического фазового перехода из состояния АФМ ТИ (характерного для MnBi2Te4) в состояние тривиального изолятора или магнитного Дираковского и вейлевского полуметалла для АФМ и ФМ фаз, а также будут выявлены факторы, влияющие на возможную реализацию и детали таких переходов. В качестве систем для реализации топологических фазовых переходов предлагается использовать синтетические материалы на основе магнитно-упорядоченного ТИ MnBi2Te4 при различных вариантах легирования примесями немагнитных (с замещением более легких элементов на более тяжелые и наоборот) и магнитных атомов. Данные переходы в системах подобного типа в настоящее время остаются весьма малоизученной темой физики конденсированного состояния, при том, что тип топологической фазы материалов на основе MnBi2Te4 является ключевым фактором, определяющим их возможное применение в устройствах. Результаты наших исследований не только прольют свет на механизм магнитных и немагнитных топологических фазовых переходов, которые могут происходить в данных системах, но и позволят определить возможности их применения в устройствах спинтроники и квантовых вычислениях.

2. Будут найдены особенности формирования низкоразмерных состояний в гетероструктурах на основе Bi2Te3 и VTe2. Определены закономерности изменения электронных и магнитных свойств системы в зависимости от толщины блоков, входящих в гетероструктуру. Отобраны системы для дальнейшего исследования магнитного туннельного перехода. 

3. Будут проведены поисковые исследования, направленные на выявление новых перспективных топологически нетривиальных систем за пределами классов уже известных и предложены пути  синтезирования новых гетероструктур. Будет проведена характеризация объёмной и поверхностной электронной структуры в классе соединений перспективных магнитных материалов содержащих одномерные цепочки висмута или сурьмы, таких как  Ln3MPn5 (Ln = La−Nd; M = Ti, Zr, Hf, Mg, Mn, Nb; Pn = Bi, Sb), где вопрос о взаимодействии между магнетизмом и топологией электронной структуры остаётся неизученным. Будут предоложены новые периодические сверхрешётки и на основе расчётов в рамках теории функционала плотности и методом сильной связи будут исследованы особенности электронной и спиновой структуры представителей класса материалов XY4Te4 (X = Ge, Pb, Sn, Mn; Y = Sb, Bi), представляющих собой чередование семислойных блоков XY2Te4 и бислоев Bi. Будут описаны особенности топологических состояний. 

4. Будет предсказано возникновение новых топологически нетривиальных фаз, свойственных магнитным гетероструктурам, а также низкоразмерных связанных и резонансных состояний на краях, ступенях или доменных стенках. Такие состояния (в зависимости от условий) показывают различные дисперсионные соотношения - линейный или тахионный спектр или плоская зона, а также значительную спиновую поляризацию. Предлагаемая постановка задачи не встречалась ранее в литературе. Данные теоретические находки мотивируют экспериментаторов к поиску предсказанных явлений, на основе которых можно было бы разработать оригинальные спинтронные приборы для хранения и обработки информации, а также квантовые наносенсоры.

5. Будет отработан методика получения тонких пленок слоистых топологических изоляторов методом эксфолиации с возможностью получения тонких пленок различной толщины (несколько структурных блоков) для ТИ из семейства собственных магнитных топологических изоляторов MnBi2Te4. Это откроет возможность для исследования свойств MnBi2Te4 в состоянии аксионного изолятора (четное количество структурных блоков) или в состоянии квантового аномального эффекта Холла (нечетное количество структурных блоков). В целом освоение метода создания тонких пленок топологических материалов позволит изготавливать и испытывать прототипы устройств спинтроники на их основе.  

6. Будут синтезированы и исследованы системы с графеном на металлических или полупроводниковых подложках с интеркалированными ультратонкими слоями магнитных и/или тяжелых металлов. Будут проведены разносторонние экспериментальные исследования полученных систем, включая атомную структуру поверхности, электронную и спиновую структуры. На основе полученных результатов будет проведен анализ возможности практического использования синтезированных систем в электронных устройствах.

7. Будут синтезированы и изучены гетероструктуры на основе двумерных топологических изоляторов (бислоев Bi и Sn), выращенных на подложке ТИ из семейств (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m и (MnxA1-x)Bi2Te4, где A=Ge, Pb, Sn с регулировкой обменного взаимодействия и переходом в магнитную полуметаллическую фазу Дирака  В зависимости от параметра m ожидается настройка реализации температуры QAHE и управление количеством одномерных краевых каналов. Будет проведен анализ топологических фазовых переходов, реализуемых в данных системах.

8. В ходе изучения электронных и магнитных свойств, возникающих в результате взаимодействия 3d- и 4f-подрешеток в серии редкоземельных интерметаллидов, включая германиды REMn2Ge2 и пниктиды RET2P2 (RE = редкоземельные элементы, T = Co, Ir) особое внимание будет уделено приповерхностной области кристаллов, поскольку на поверхности или приповерхностной области часто наблюдаются явления или свойства, отличные от объема материала, возникающие из-за нарушения симметрии, поверхностной релаксации или изменения координационных чисел и поля лигандов. Таким образом, подходящая комбинация составных компонентов материала может привести на поверхности к валентной нестабильности редкоземельных ионов, физике Кондо, двумерному ферромагнетизму, сложному взаимодействию магнитного обмена и спин-орбитальному взаимодействию, такому как линейные эффекты Рашбы и эффекты Рашбы более высокого порядка, а также к совокупному проявлению любых из этих эффектов. Изучение этих эффектов соответствует современным тенденциям и будет выполнено на мировом уровне.

9. Будут проведены фотоэмиссионные (ARPES) исследования кристаллов RT2Si2 (T=Rh, Ir), включая температурно-зависимые измерения тонкой энергетической структуры валентной зоны вблизи уровня Ферми и 4f-спектров, а также спектров NEXAFS. Параллельно экспериментальным исследованиям, будут проведены DFT-расчеты электронной структуры исследуемых соединений. Полученная информация будет использована для моделирования спектров фотоэмиссии и рентгеновского поглощения, на основании чего будут сделаны фундаментальные выводы о свойствах магнитных 4f-моментов (величина и ориентация) в атомных РЗ-слоях приповерхностной области исследуемых систем.

10. Будет определен элементный состав и распределение кислородных вакансий по толщине металлооксидных пленок AlxOy, TiO(2-x) с варьируемой стехиометрией. Данная информация позволит определить максимально допустимый и оптимальный диапазон отклонения от стехиометрии, обеспечивающий проявление мемристивных свойств. В конечном итоге, это необходимо для выбора условий синтеза и параметров дополнительной обработки структур для создания элементов оксидной резистивной памяти, устойчивой  к износу и обладающей достаточно продолжительным временем хранения состояния.

4.3.7.10. Планируемый объем дополнительно привлеченных средств из внешних источников за весь период выполнения проекта.

Планируемый объем дополнительно привлеченных средств из внешних источников за весь период выполнения проекта будет не менее требуемого значения по условиям конкурсной документации.
Сведения о планируемом к привлечению внешнем финансировании
1.Грант РНФ № 23-12-00016 «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», рук-ль А.М. Шикин (Pure ID 114900688), 2023-2025 г.г., финансирование: 7 000 000 руб./год
2.Подана заявка на конкурсный отбор, проводимый Министерством науки и высшего образования Российской Федерации на предоставление из федерального бюджета грантов в форме субсидий на проведение крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития. Название проекта «Новая элементная база сенсорики», руководитель со стороны СПбГУ: А.М. Шикин, 2024-2026 г.г., финансирование: 10 000 000 руб./год
3.Подана заявка на грант РНФ «Магнитные квазидвумерные системы с нетривиальной топологией и сильными электронными корреляциями для устройств спинтроники», руководитель: Д.Ю. Усачев (Pure ID заявки: 113890597), 2024-2026 г.г., финансирование: 7 000 000 руб./год
4.Подана заявка на грант РНФ «Поиск новых топологических систем для устройств на основе квантового аномального эффекта Холла», руководитель: А.М. Тарасов (Pure ID заявки: 110811794), 2024-2025 г.г., финансирование: 1 500 000 руб./год
5.Планируется подача других заявок на конкурсы научных проектов для привлечения финансирования
6.DIPC Donostia International Physics Center (Международный Центр Физики, Сан Себастьян, Испания), планируется частичная оплата за статьи в журналах открытого или гибридного доступа (Open Access)