Российские учёные создают новые уникальные материалы
XXI век ознаменовался рядом открытий, которые потомки будут считать, возможно, одними из самых ярких в постиндустриальную эпоху. К ним, безусловно, можно отнести графен и топологические изоляторы (ТИ) - материалы, с интересными свойствами и уникальными электронными характеристиками. И если «за передовые опыты с двумерным материалом - графеном» Андре Гейму и Константину Новоселову Нобелевская премия по физике уже присуждена, то весьма вероятно что «нобелевка за ТИ» еще ждет своих героев.
Графен и топологический изолятор объединяет то, что их свойства обусловлены процессами происходящими по сути в двумерной атомной структуре. И если графен двумерен сам, то топологический изолятор - это трехмерное тело, все самое интересное у которого происходит на поверхности.
Наглядно и очень упрощённо топологический изолятор можно представить в виде куска дерева, покрытого сверху металлом: дерево не проводит электричество, в то время как металл его хорошо проводит. Но только речь идёт об образце одного и того же материала с разными свойствами в объёме и в поверхностном слое.
Перспективы здесь очень большие: в целом основанные на ТИ устройства будут обладать более высокой скоростью выполнения операций, потреблять значительно меньше энергии и отличаться своими размерами в меньшую сторону от приборов традиционной электроники.
Справка
Особые свойства верхнего покрытия в топологических изоляторах связаны с наличием поверхностных металлических состояний, в которых электроны «топологически защищены» от обратного рассеяния на дефектах (загрязнениях, неоднородностях или других несовершенствах поверхности материала). Ещё одной особенностью топологического изолятора является то, что его проводящая поверхность - это не просто обычный металл. Кроме зарядового тока на ней возможно протекание спин-поляризованного тока, при котором происходит перенос не заряда (как в электрическом токе), а спина - квантовой характеристики частицы, которую можно представить как вращающийся волчок со строго определённым направлением оси вращения. На поверхности топологического изолятора направление движения электрона и ориентация его спина жёстко связаны и изменяются только согласованно друг с другом. Поэтому электроны испытывают очень небольшое, и даже нулевое сопротивление среды (как в сверхпроводниках) в процессе движения.
Свойства поверхности топологического изолятора могут устойчиво сохраняться вплоть до высоких температур, что означает возможность их применения в различных практических приложениях микроэлектроники и компьютерной техники. Выполняется требование повышения мощности компьютеров и одновременного уменьшения энергозатрат. Квантовый компьютер пока является гипотетическим устройством, возможность построения которого как раз и зависит от успехов физиков в разработке новых материалов.
Какие устройства могут использовать преимущества новых материалов? Например, пропуская небольшой ток, можно считывать биты, хранящиеся в магнитном слое на поверхности топологического изолятора. А при подаче более сильного напряжения можно переключить состояние магнитных битов, таким образом перезаписывая содержимое с большой надежностью хранения информации. Топологические изоляторы работают очень надёжно в реальных условиях, сохраняя свои свойства даже тогда, когда материал засорён инородными включениями или попадает в электромагнитное поле. Отсюда следует, что когда технологии работают в области наномасштабов, крайне важными и заманчивыми выглядят свойства топологических изоляторов как материалов, обеспечивающих ничем не нарушаемые и стабильные каналы проводимости. и выгодно отличаться своими размерами от приборов традиционной электроники
Исследования в этом направлении интенсивно ведутся во всем мире, в том числе и в России. Лаборатория наноструктурных поверхностей и покрытий Томского государственного университета под руководством Евгения Чулкова-Савкина находится на передовых позициях в этих исследованиях. Она была создана в Томском государственном университете в 2010 г. в рамках Постановления Правительства № 220. Одно из главных направлений работы лаборатории - теоретические и экспериментальные проблемы спинтроники и топологических изоляторов. В этой области исследований практические достижения невозможны без теоретических фундаментальных проработок. Предварительное математическое моделирование, вскрытие закономерностей поведения материалов позволяют предсказывать новые классы топологических изоляторов, прогнозировать их свойства и создавать способы управления этими свойствами.
Научный сотрудник лаборатории, к.ф.-м.н. Татьяна Меньщикова рассказывает: «Одной из основных проблем в России является отсутствие необходимого современного аналитического и технологического оборудования для исследования и производства топологических изоляторов. Поэтому, чтобы соответствовать темпу разработок ведущих зарубежных стран, необходима кооперация заинтересованных научно-исследовательских организаций. Профессором Е. В. Чулковым-Савкиным проводится большая работа по координации научных исследований по топологическим изоляторам, как в России, так и за рубежом. Благодаря активному сотрудничеству с ведущими научными коллективами лаборатория наноструктурных поверхностей и покрытий является лабораторией мирового уровня, не уступающей зарубежным коллективам по уровню проводимых исследований».
В декабре 2013 года в журнале NanoLetters вышла статья томских учёных из лаборатории наноструктурных поверхностей и покрытий (в соавторстве с представителями других стран), о теоретическом изучении гетероструктур топологических изоляторов (исследовались соединения Bi2Se3).
Исследователи нашли способы управлять проводящим состоянием поверхности изменяя электрическое поле и покрывая тонкой плёнкой обычный изолятор; это позволяет получить основанный на гетероструктурах топологический изолятор с заранее заданными свойствами поверхности.
Пример экспериментальной работы по созданию топологических изоляторов с заранее заданными свойствами, в которой принимали участие сотрудники томской лаборатории, можно прочитать в статье, опубликованной в Phys. Rev. Lett. в прошлом году. В ней с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением экспериментально исследовались топологические изоляторы на основе свинца; ученые обнаружили состояние, локализованное в приповерхностной области материала, где сохраняется спиновая поляризация. Это открытие российских учёных (совместно с исследователями из Японии, Азербайджана и Испании) создаёт пути разработки реальных топологических изоляторов для технологий и промышленности.
Ольга Кудряшова
STRF.ru