Топологические изоляторы: управление током, управление светом
Исследование международной группы ученых посвящено изучению свойств топологических изоляторов: их взаимодействию с лазерным излучением. Результаты работы открывают новые возможности управления током с помощью световой волны, что в перспективе позволит создать быстродействующие электронные устройства и средства связи. Также новые данные важны для понимания релятивистских эффектов, возникающих, когда скорости движения частиц близки к скорости света. Подробности опубликованы в журнале Nature.
Исследование свойств топологических изоляторов на примере поверхности кристалла теллурида висмута проводила группа специалистов Регенсбургского университета, университета Марбурга, Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН), Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Новосибирского государственного университета.
Топологические изоляторы ― материалы, способные проводить спин-поляризованный ток по своей поверхности и практически не проводить внутри, в объеме, оставаясь изолятором. Спин ― характеристика электрона, как масса и заряд, но управление спином дает больше возможностей для разработки быстродействующих гаджетов с минимальными тепловыми потерями.
На поверхности топологического изолятора электроны ведут себя как безмассовые частицы, и при освещении лазером удается разогнать их до весьма больших скоростей. В ходе нового исследования обнаружилось, что ускоренные электроны способны двигаться по поверхности топологического изолятора практически без рассеяния ― в отличие от движения в обычном кристалле ― а значит, проводить ток гораздо быстрее, без потерь на нагрев. Более того, электроны переизлучают свет лазера иначе, чем в нетопологических материалах ― генерируя световые волны промежуточной частоты (а не кратно частоте исходного излучения).
«На поверхность топологического изолятора (кристалла теллурида висмута) падает свет лазера определенной длины волны, а переизлучается ― широким спектром. Управляя характеристиками исходной волны, можно двигать, варьировать, получать любые длины переизлученных волн. Без специфических свойств топологического изолятора это было бы недостижимо. Также можно почти мгновенно изменить состояние электронов с помощью лазера — это перспективно для создания сверхбыстрых электронных устройств», ― объясняет соавтор исследования, заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, профессор НГУ, профессор РАН, доктор физико-математических наук Олег Евгеньевич Терещенко.
Вырастить кристалл топологического изолятора ― сложная задача, но благодаря многолетнему опыту специалисты ИГМ СО РАН и ИФП СО РАН успешно с ней справляются. После того как кристалл готов, его нужно охарактеризовать ― определить тип проводимости, качество кристалла, убедиться, что электроны на поверхности ведут себя, как и должны в топологическом изоляторе, ― их энергия линейно зависит от импульса, а не квадратично, как свойственно свободным электронам и электронам в обычных (тривиальных) кристаллах. Чтобы «посмотреть» электронную структуру кристаллического материала, используются интенсивное излучение и специальное оборудование: «просвечивая» материал и регистрируя изменения, происходящие с электронами, можно получить подробную информацию об энергии частиц, их магнитных моментах и прочих характеристиках, от которых напрямую зависят свойства вещества.
«Объекты исследования ― высококачественные кристаллы теллурида висмута с встроенным p-n переходом ― выращивались в ИГМ СО РАН старшим научным сотрудником к.ф.-м.н. Константином Александровичем Кохом по методике, которую мы разработали совместно. Затем проводилась характеризация кристаллов ― в ИФП СО РАН и на источнике синхротронного излучения (HiSOR) в Японии с применением фотоэлектронного спектрометра для исследования электронной структуры кристаллов методом фотоэмиссии с угловым и спиновым разрешением (ARPES). Сейчас подобная установка есть и в нашем Институте, но на момент проведения работы приходилось пользоваться зарубежной. Дальнейшее воздействие на кристалл лазерными импульсами, описание процессов, происходящих при этом в материале, проводили немецкие коллеги», ― говорит Олег Терещенко.
Любопытно, что новое открытие в физике твердого тела перекликается с актуальными проблемами физики высоких энергий — обнаружением частиц, чье существование пока не подтверждено экспериментально. Уже упоминавшиеся «безмассовые» электроны на поверхности топологических изоляторов могут двигаться со скоростями, достаточными для того, чтобы проявились релятивистские эффекты ― характерные для околосветовых скоростей.
«Частицы, предсказанные раньше теоретически, для разделов физики высоких энергий, сейчас ищут внутри твердого тела. Это, например, фермионы Майорана, являющиеся кандидатами в том числе для частиц холодной тёмной материи. Считается, что экспериментальное обнаружение майорановских частиц как в физике высоких энергий, так и в области физики твёрдого тела приведёт к важным последствиям для науки. Таким образом, у исследователей появляется шанс обнаружить новые частицы с помощью небольших приборов (если сравнивать с коллайдерами) и при малых энергетических затратах», ― резюмирует Олег Терещенко.
Исследование выполнялось при поддержке Российского научного фонда (проект №17-12-01047), Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 21-52-12024).
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН
Хотите оперативно узнавать о выходе других полезных материалов на сайте "ГИС-Профи"?
Подписывайтесь на нашу страницу в Facebook.
Ставьте отметку "Нравится", и актуальная информация о важнейших событиях в энергетике России и мира появится в Вашей личной новостной ленте в социальной сети.