Электронные процессы лежат в основе работы большинства устройств в повседневной жизни. В последнее время концепция описания электронных состояний, основанная на топологии, стала одной из доминирующих в физике конденсированных сред, химии твёрдого тела и квантового материаловедении. Эта «новая квантовая революция» привела к фундаментальному пересмотру понимания свойств материалов, главным образом связанных с релятивистскими эффектами.
До наступления «эры топологии» считалось, что электронные свойства металлов, изоляторов и полупроводников определяются их одночастичной зонной структурой (то есть, соотношением энергии электрона и импульса), которая прямо связана с симметрией кристаллической решётки материала. Включение межэлектронных взаимодействий в картину зонной структуры, в середине XX века позволило понять такие сугубо квантовые явления, как сверхпроводимость и магнитное упорядочение, и описать их возникновение в терминах понижения соответствующей симметрии.
Однако, в последние годы выяснилось, что столь стройное и продуктивное описание электронных состояний является неполным. В частности, в его рамках не удалось объяснить эффект квантования холловской проводимости в системах двумерных электронов в квантующем магнитном поле или в тонких плёнках соединений с сильной спин-орбитальной связью, но без внешнего магнитного поля. В этих примерах переход в «квантовый режим Холла» сопровождается резким изменением электронных характеристик системы без нарушения каких-либо симметрий.
Оказалось, что почти пятой части всех известных сегодня материалов присуща топологически нетривиальная зонная структура блоховских состояний, которая определяется кривизной Берри. Эта квантово-механическая характеристика связана с фазой волновой функции электронов в импульсном пространстве. Особый класс квантовых материалов составляют топологические изоляторы (ТИ), которые, как правило, являются узкозонными полупроводниками с инвертированной запрещённой зоной. Им свойственны целочисленные значения топологических инвариантов, получаемых в результате интегрирования кривизны Берри по зоне Бриллюэна.
Центральным пунктом топологической зонной теории является принцип соответствия: топологический инвариант в объёме материала определяет наличие и число защищённых состояний на его границе. Поверхностные состояния ТИ это дираковские фермионы, спектральные ветви которых перекрывают объёмную запрещённую зону, а импульс и спиновая поляризация фиксированы ортогонально друг другу. Эти черты придают особую устойчивость однонаправленному распространению электрона на границе ТИ благодаря запрету рассеяния «назад» в случае немагнитных дефектов.
Однако, введение магнитного порядка в ТИ существенно меняет спектр поверхностного состояния, открывая в нём энергетическую обменную щель, что предоставляет возможность управлять электронными процессами и порождать новые свойства в ТИ. В магнитных ТИ были предсказаны и экспериментально подтверждены такие уникальные явления как квантовый и полуквантовый аномальный эффект Холла, фаза аксионного изолятора и другие эффекты, перспективные для будущих приложений, основанных на управлении спин-поляризованными токами.
Исследовательские задачи
1. Теоретический поиск новых соединений, обладающих топологически нетривиальной зонной структурой;
2. Исследование объёмных и поверхностных электронных свойств магнитных ТИ;
3. Изучение квантового аномального эффекта Холла в тонких плёнках собственных и примесных магнитных Т;
4. Описание одномерных электронных состояний, возникающих на краях и на доменных стенках в тонких плёнках антиферромагнитных ТИ;
5. Исследование аномального эффекта Холла на поверхности и в тонких плёнках магнитного полупроводника с сильным эффектом Рашба.
Состав группы
К пониманию свойств поверхностных состояний собственных антиферромагнитных топологических изоляторов.
Спектроскопические исследования (ARPES) собственного антиферромагнитного ТИ MnBi2Te4 дают весьма противоречивые результаты. Мы предлагаем микроскопический механизм, который связывает изменение величины и знака обменной щели поверхностных состояний с вариацией электростатического поверхностного потенциала от образца к образцу. Кроме того, мы даём объяснение появлению конечной плотности состояний внутри обменной щели в случае сильных электростатических флуктуаций вдоль поверхности образца. Физическая природа таких флуктуаций ассоциируется с неоднородной концентрацией антиузельных дефектов в поверхностных слоях MnBi2Te4.
V. N. Men’shov, I. A. Shvets, E. V. Chulkov, Phys. Rev. B 106, 205301 (2022)
Особенности электронного спектра при переходе из фазы аксионного изолятора в фазу квантового аномального эффекта Холла в тонкой плёнке собственного антиферромагнитного топологического изолятора.
Собственный антиферромагнитный ТИ MnBi2Te4 обеспечивает привлекательную платформу для реализации различных магнитных и топологических состояний. В основном состоянии тонкие плёнки соединениям семействас четным числом семислойных блоков являются аксионными изоляторами, но с увеличением внешнего магнитного поля они демонстрируют переход в режим квантового аномального эффекта Холла, который сопровождается изменением текстуры намагниченности от коллинеарной к неколлинеарной. Проведено теоретическое исследование такого топологического перехода и получены энергетический спектр, кривизна Берри и топологические индексы в зависимости от степени неколлинеарности. Для различных топологических режимов описаны граничные электронные состояния, возникающие на боковой поверхности плёнки и на доменной стенке, разделяющей области с противоположными углами наклона проводимости. Полученные результаты значительно углубляют понимание взаимосвязи между зонной топологией и магнитным упорядочением.
В. Н. Меньшов & Е. В. Чулков, Письма в ЖЭТФ, 117, 147 (2023)
Электронные состояния на магнитных доменных стенках в магнитных полупроводниках с сильным эффектом Рашба.
Зонная структура поверхности полупроводника с сильным эффектом Рашба характеризуется нетривиальной кривизной Берри. Введение в такой материал магнитной примеси ведёт к установлению ферромагнитного порядка и появлению локальной обменной щели в точке крамерсовского вырождения. Показано, что на магнитной доменной стенке возникает электронное резонансное состояние в локальной обменной щели. При относительно слабом обменном расщеплении резонансное состояние имеет линейную дисперсию с малым спектральным уширением и обладает свойством киральности. Такие состояния на магнитных доменных стенках, могут давать значительный вклад в продольную и поперечную проводимость на поверхности. С усилением обменного взаимодействия спектральная ветвь резонансного состояния размывается. Полярный полупроводник BiTeI, допированный атомами переходного металла, является подходящей материальной платформой для обнаружения предсказанных явлений.
I. P. Rusinov, V. N. Men’shov, E. V. Chulkov, Phys. Rev. B 110, 195405 (2024)
Сотрудники группы опубликовали по тематике квантовых материалов более 150 статей в лучших отечественных и зарубежных изданиях по физике.
В своих исследованиях сотрудники группы используют как классические методы теоретического анализа физических моделей, так и продвинутые численные методики, основанные на теории функционала плотности.
- В. Н. Меньшов, И. П. Русинов, Е. В. Чулков, Собственный аномальный эффект Холла на поверхности магнитного полупроводника с сильным эффектом Рашба, Письма в ЖЭТФ, 121, # 5 (2025) [V. N. Men’shov, I. P. Rusinov, E. V. Chulkov, Intrinsic anomalous Hall effect at the surface of magnetic semiconductor with strong Rashba effect, JETP Letters, 121, # 5 (2025)].
- I. P. Rusinov, V. N. Men’shov, E. V. Chulkov, Electron states emerging at magnetic domain walls of magnetic semiconductors with strong Rashba effect, Phys. Rev. B 110, 195405 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevB.110.195405
- В. Н. Меньшов, Е. В. Чулков, Особенности электронного спектра при переходе из фазы аксионного изолятора в фазу квантового аномального эффекта Холла в тонкой пленке собственного антиферромагнитного топологического изолятора, Письма в ЖЭТФ, 117, 147 (2023). DOI: 10.31857/S1234567823020106 [V. N. Men’shov, E. V. Chulkov, Electronic Spectrum Features under the Transition from Axion Insulator Phase to Quantum Anomalous Hall Effect Phase in an Intrinsic Antiferromagnetic Topological Insulator Thin Film, JETP Letters, 117, 147 (2023). DOI: 10.1134/S0021364022602962
- В. Н. Меньшов, Е. В. Чулков, Связанные состояния короткодействующего дефекта на поверхности собственного антиферромагнитного топологического изолятора в неколлинеарной фазе, Письма в ЖЭТФ, 118, 836 (2023). DOI: 10.31857/S1234567823230088 [V. N. Men’shov, E. V. Chulkov, Bound States of a Short-Range Defect on the Surface of an Intrinsic Antiferromagnetic Topological Insulator in a Noncollinear Phase, JETP Letters, 118, 837 (2023). DOI: 10.1134/S0021364023603408]
- N. L. Zaitsev, I. P. Rusinov, T. V. Menshchikova, E. V. Chulkov, Interplay between exchange-split Dirac and Rashba-type surface states at the MnBi2Te4/BiTeI interface, Phys. Rev. B 107, 045402 (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.107.045402
- V. N. Men’shov, I. A. Shvets, E. V. Chulkov, Towards comprehension of the surface state properties in the intrinsic magnetic topological insulators, Phys. Rev. B 106, 205301 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.205301