Основной целью лаборатории является предсказание, создание и детальное изучение новых квантовых материалов – топологических изоляторов, графена и систем с сильным спин-орбитальным взаимодействием для их дальнейшего применения в спинтронике, наноэлектронике и квантовых вычислениях.
В ходе выполнения НИР получены следующие важнейшие научные результаты:
Проведен синтез и исследование гетероструктур с бислоем Bi на поверхности магнитного ТИ с целью реализации новых 2D топологических фаз при контакте с магнитным ТИ. Проведено теоретическое исследование возможности реализации ТФП из топологического в тривиальное состояние и связи данного перехода с формированием аксионо-подобного состояния в АФМ ТИ MnBi2Te4. Проанализировано влияние приложенного электрического поля на возможность реализации топологического магнитоэлектрического эффекта в области ТФП. Отработана технология синтеза тонких пленок АФМ ТИ MnBi2Te4 методом молекулярно-лучевой эпитаксии на поверхности Bi2Te3. Проведено теоретическое исследование электронных состояний, возникающих на доменной стенке в магнитном полупроводнике с сильным эффектом Рашбы, а также спиральных состояний Рашбы на вицинальных поверхностях, что открывают возможности для изготовления атомарно точных связанных массивов электронных резонаторов для проектирования спин-орбитальных текстур. Проведено исследование эффекта близости в 2D гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик. Управление степенью гибридизации электронных состояний в данных гетероструктурах позволяет управлять сверхпроводимостью, а также амплитудой и знаком зеемановского расщепления плотности состояний, открывая интересные возможности для спинтроники и спиновой калоритроники. Исследована роль Mn дефектов в гетероструктурах MnBi2Se4/Bi2Se3 на основе собственного магнитного ТИ MnBi2Se4 и их влияния на модуляцию магнитных свойств ТИ. Изучены транспортные свойства семейства магнитных ТИ (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m (m = 0,1,...,6). Изучен эффект перемешивания подрешеток Mn и Bi в (MnBi2Te4)(Bi2Te3)n, а также Mn и Sb в MnSb2Te4 на магнитные свойства данных систем. Проведено теоретическое исследование взаимодействия ТПС и состояний Рашбы в топологически нетривиальных ван-дер-ваальсовых сверхрешетках, состоящих из пяти- [X2Y3] и семислойныx [ZX2Y4] (X=Bi,Sb; Y=Te,Se,S; Z=Pb,Sn,Ge) блоков пниктоген-халькогенидов, и их связи с различиями поверхностного потенциала на разных окончаниях поверхности. Проведено исследование топологических фазовых переходов в ТИ Mn1-x(Ge,Pb)x)Bi2Te4 при замещении магнитных атомов Mn на атомы Ge и Pb, что позволяет варьировать электронные и магнитные свойства ТИ. Показана возможность формирования фазы Вейлевского полуметалла с уникальными свойствами. Проанализирована возможность модуляции электронной структуры ТПС при сохранении уникальных объемных свойств ТИ за счет замещения атомов Mn на атомы Pb,Sn,Ge,Si только в первом семислойнике. Проведено исследование ферримагнитного упорядочения в графене и нижележащем монослое Au на подложке Co(0001) и проанализированы возможности реализации квантового аномального эффекта Холла в подобных системах. Проведены детальные исследования лантаноидов TmRh2Si2 методом XAS, а также YbCo2Si2 методом резонансной 4f фотоэлектронной дифракции. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование магнетизма, теплоемкости и электронной структуры EuCd2P2, характеризующегося эффектом колоссального магнитосопротивления. Проведен анализ электрон-фононных и электрон-магнонных взаимодействий в слабом зонном ферромагнетике LaCo2P2, характеризующегося близостью к критической точке магнитного фазового перехода. Данные материалы являются перспективными для реализации эффектов Кондо и Рашбы в объеме и на поверхности.
Лаборатория электронной и спиновой структуры наносистем под руководством д.ф.-м.н. Е.В. Чулкова (профессор Университета Страны Басков, Испания) создана в 2015 году в рамках финансирования деятельности исследовательских лабораторий под руководством ведущих ученых за счет средств СПбГУ.
Цель научного исследования:
Основной целью лаборатории является предсказание, создание и детальное изучение новых квантовых материалов – магнитных и немагнитных топологических изоляторов, графена, систем с эффектом Рашбы, а также с обменным взаимодействием, квазидвумерных магнитных структур и 4f-материалов с целью их дальнейшего применения в спинтронике, наноэлектронике и квантовых вычислениях.
Актуальность проблемы, предлагаемой к решению:
Деятельность лаборатории охватывает широкий спектр задач, связанных с анализом спиновой и электронной структуры наносистем. Совместное использование теоретических и экспериментальных методов позволяет создавать 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. Полученные в 2015-2024 годах результаты лаборатории демонстрируют возможность реализации ключевых элементов квантовых компьютеров и спинтроники даже при комнатной температуре, что может привести к прорывным технологиям в области квантовых вычислений, симуляторов и криптографии.
Описание задач лаборатории:
1. Экспериментальное и теоретическое исследование особенностей электронной и спиновой структуры магнитных и немагнитных топологических изоляторов различного типа и стехиометрии, с топологически защищенными поверхностными состояниями, а также графена, синтезированного на поверхности металлов с высоким спин-орбитальным взаимодействием.
2. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния различного типа беспорядка, включая доменные стенки, на электронную и спиновую структуру поверхностных состояний в магнитных топологических изоляторах.
3. Экспериментальные исследования возможности управления электронной структурой немагнитных и магнитных соединений с гигантским спиновым расщеплением Рашбы, а также изучение их фазового перехода в состояние топологического изолятора.
4. Изучение возможности и методов функционализации графена, позволяющих придать графену новые необходимые функциональные свойства с целью эффективного использования в электронных устройствах. Для создания устройств спинтроники на основе графена решается проблема инжекции спин-поляризованных токов между графеном и ферромагнитным контактом и последующего эффективного транспорта спиновых токов в графене.
5. Экспериментальное и теоретическое определение электронной и спиновой структуры поверхностных состояний в материалах с сильным спин-орбитальным и магнитообменным взаимодействиями.
6. Экспериментальное и теоретическое определение возможностей получения информации о магнитном упорядочении поверхности материалов на основе лантаноидов из анализа матричного элемента фотоионизации открытой 4f оболочки.
Планируемые показатели лаборатории на финансовый год: Публикации в научных журналах, индексируемых в международных базах научного цитирования (Web of Science Core Collection и (или) Scopus) - 20 публикаций.
Использование оборудования Научного парка СПбГУ: В 2024 году планируется использование оборудования следующий ресурсных центров Научного парка СПбГУ:
1) Ресурсный центр “Физические методы исследования поверхности”
2) Междисциплинарный ресурсный центр по направлению "Нанотехнологии"
3) Ресурсный центр "Вычислительный центр"
4) Ресурсный центр "Центр диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники"
Сайт лаборатории: https://spin.lab.spbu.ru/
Деятельность лаборатории охватывает широкий спектр задач, связанных с анализом спиновой и электронной структуры наносистем. Совместное использование теоретических и экспериментальных методов позволяет создавать наносистемы с необходимыми свойствами для конструирования приборов спинтроники и квантовых компьютеров. Полученные в 2015-2024 годах результаты лаборатории демонстрируют возможность реализации ключевых элементов квантовых компьютеров и спинтроники даже при комнатной температуре, что может привести к прорывным технологиям в области квантовых вычислений, симуляторов и криптографии.
ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ В РАМКАХ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА ЗА 2015-2024 Г.Г.
Основная исследовательская деятельность лаборатории в прошедшем десятилетии, 2015-2024 г.г., связана с тремя направлениями: 1) магнитные топологические изоляторы (МТИ) и их возможные применения, 2) графеновые системы, 3) электронные и магнитные характеристики материалов на основе редкоземельных элементов. Результатом высокой активности лаборатории в этих направлениях является публикация 279 статей в ведущих российских и зарубежных журналах таких как Письма ЖЭТФ, Nature, Nature Communications, npj Quantum Materials, Physical Review Letters, Physical Review B, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano и многих других.
Магнитные топологические изоляторы являются уникальными материалами, позволяющими реализовать разнообразные квантовые эффекты, в частности, квантовый аномальный эффект Холла и топологический магнето-электрический эффект. Такие материалы могут быть использованы в спинтронике, квантовых вычислениях и при создании систем искусс
