Лаборатория фотоэмиссионной спектроскопии (ARPES)
Электронная зонная структура определяет электронные и оптические свойства твердых тел. Исследование зонной структуры имеет важное значение для понимания фундаментальных физических явлений, лежащих в основе сверхпроводников, низкоразмерных структур, топологических материалов и др., а также полезно для практического применения, например, при создании элементов для электроники и спинтроники, квантового компьютера. Одним из ключевых методов экспериментального изучения зонной структуры является фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением ФЭСУР (англ. ARPES).
Основной задачей нашей лаборатории является экспериментальное исследование методом ARPES зонной структуры широкого класса сверхпроводников и квантовых материалов. Исследование проводится на установке ARPES с гелиевой лампой в качестве источника фотонов (энергии фотонов 21.2 эВ и 40.8 эВ). Большое внимание уделяется подготовке и исследованию поверхности образцов. Система ARPES оснащена инструментарием для подготовки поверхности к ARPES измерениям, а также блоком ДМЭ/Оже-спектроскопии. Методом дифракции медленных электронов ДМЭ (англ. LEED) определяется структура поверхности материалов. С помощью Оже-спектроскопии возможно установить элементный состава поверхностных слоев.
Состояние поверхности также важно для структур, создаваемых из исследуемых материалов. Например, наблюдаемый в узких и тонких сверхпроводящих мостиках диодный эффект чувствителен к состоянию их поверхности. Опыт группы при работе с поверхностями материалов позволяет создавать аналитические модели, устанавливающие взаимосвязь между диодным эффектом и физическими свойствами поверхности.
Текущие исследования и перспективы
1. Ведутся исследования перспективного для спинтроники топологического изолятора Bi1.08Sn0.02Sb0.9Te2S (BSSTS). Изучается, как допирование ванадием влияет на его свойства. В настоящее время проводятся детальные исследования поверхности данного материала. Это необходимо как для подготовки его к ARPES измерениям, так и на перспективу для разработки технических процессов работы с его поверхностью. В дальнейшем планируется изучение зонной структуры данного соединения методом ARPES и влияния на нее допирования ванадием.
2. Изучается поверхность железосодержащего сверхпроводника Ba (Fe, Ni)2As2 (BFNA). Исследования зонной структуры данного сверхпроводника методом ARPES немногочисленны. Это обусловлено сложностью работы с поверхностью данного материала: ее двойникованием, образованием на ней сверхрешеток Ba. Планируется разработка методов восстановления поверхности BFNA для ARPES измерений. В дальнейшем планируется детальное изучение зонной структуры и поверхности Ферми данного соединения. Перспектива данных исследований обусловлена тем, что предполагаемые механизмы сверхпроводимости в данном высокотемпературном сверхпроводнике опираются на вид его зонной структуры и поверхности Ферми.
3. Развиваются аналитические модели для описания диодного эффекта в структурах из сверхпроводников. На перспективу это позволит проектировать сверхпроводящие диоды, работающие при низких температурах, где полупроводниковые диоды теряют свою эффективность. Это необходимо, в том числе, для создания квантовых компьютеров.
Основные результаты
1. Методом ARPES исследована зонная структура и поверхность Ферми бинарного соединения SnAs. Данное соединение является сверхпроводником и родительским для материалов с уникальными свойствами (NaSn2As2; SrSn2As2; EuSn2As2). По итогам исследования методом ARPES проверены теоретические предсказания о виде зонной структуры и поверхности Ферми арсенида олова. Это позволило подтвердить оценки, показывающие, что SnAs является сверхпроводником I рода. На экспериментальных спектрах была обнаружена особенность, которая, согласно зонным расчетам, возникает из-за из спин-орбитального взаимодействия. Также была исследована зонная структура родственных материалов.
2. Разработана аналитическая модель для анализа диодного эффекта в узком и тонком сверхпроводящем мостике. Показано, как разупорядоченность слоев на поверхности и границе раздела подложка/сверхпроводящий слой влияют на диодные характеристики данной структуры.
Состав группы
Чупраков Максим
Евгеньевич
студент МФТИ
Кузьмин Владимир
Владимирович
студент МИЭМ (НИУ ВШЭ))
- Безотосный П. И. и др. Исследование электронной зонной структуры сверхпроводника SnAs методом ARPES //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2017. – Т. 106. – №. 8. – С. 493-495. DOI: 10.7868/S0370274X17200061 http://http://jetpletters.ru/ps/2169/article_32511.pdf
- Bezotosnyi P. I. et al. Electronic band structure and superconducting properties of SnAs //Physical Review B. – 2019. – Т. 100. – №. 18. – С. 184514. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.184514https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.100.184514
- Marques C. A. et al. Electronic structure and superconductivity of the non-centrosymmetric Sn4As3 //New Journal of Physics. – 2020. – Т. 22. – №. 6. – С. 063049. DOI: 10.1088/1367-2630/ab890a https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/ab890a/meta
- Kim T. K. et al. Electronic structure and coexistence of superconductivity with magnetism in Rb Eu Fe 4 As 4 //Physical Review B. – 2021. – Т. 103. – №. 17. – С. 174517. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.174517 https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.103.174517
- Дмитриева К. А., Безотосный П. И., Пудалов В. М. О характере сверхпроводимости и топологических свойствах SnAs //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2023. – Т. 118. – №. 12. – С. 915-920. DOI: 10.31857/S1234567823240084 http://jetpletters.ru/ps/2445/article_35990.pdf