Топологические изоляторы научились запускать по поверхности спиновые волны

Электроны способны образовывать хиральные спиновые волны в поверхностных проводящих слоях топологических изоляторов. Группа американских физиков обнаружила этот эффект экспериментально, изучив свойства бездефектного селенида висмута. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Трехмерные топологические изоляторы — диэлектрические материалы, на поверхности которых образуется очень тонкий устойчивый проводящий слой. Несмотря на то, что у топологических изоляторов уже открыто довольно много интересных свойств (например, в них впервые удалось обнаружить майорановские фермионы), а в 2016 году за изучение топологических фазовых переходов вручили Нобелевскую премию, коллективные спиновые эффекты (такие, как спиновые волны в магнитных материалах) в них пока не наблюдались. Если в магнетиках они проявляются при воздействии внешнего магнитного поля, то для немагнитных диэлектрических материалов возможность их образования объясняется спин-орбитальным взаимодействием. Однако несмотря на то, что такой эффект был предсказан теоретически, наблюдать его экспериментально не удавалось из-за сложности получения необходимой для этого бездефектной кристаллической структуры.

В своей новой работе ученые из США смогли получить кристалл селенида висмута Bi₂Se₃ с очень низкой концентрацией селеновых вакансий. Этот материал стал первым трехмерным топологическим изолятором, в котором ученым удалось обнаружить формирование поверхностных хиральных спиновых волн. Для этого ученые использовали рамановскую спектроскопию с поляризационной чувствительностью — метод, который как раз позволяет оценить коллективные спиновые и зарядовые эффекты в твердых телах.

Частота возбуждающего света выбиралась таким образом, чтобы соответствовать переходу между двумя типами возможных энергетических состояний: одного энергетического уровня вблизи уровня Ферми селенида висмута и второго — с энергией на 1,8 электронвольта над ним. В результате ученые смогли измерить характерный резонансный пик в рамановском спектре при 150 миллиэлектронвольтах. Проведенный теоретический анализ подтвердил, что этот пик может быть приписан образованию обратной хиральной спиновой волны — динамической упорядоченной структуре спинов в поверхностном слое топологического изолятора.

Наиболее выражен обнаруженный эффект оказался при довольно низких температурах (около 15 кельвинов), но сохраняется он и при повышении температуры до комнатной. В отличие от, например, поверхностного плазмона, возникающая хиральная спиновая волна аналогична спиновым волнам в ферми-жидкости, где роль магнитного поля по образованию упорядоченной структуры берет на себя спин-орбитальное взаимодействие. По словам ученых, найденные поверхностные спиновые волны могут в дальнейшем быть использованы, например, для передачи информации в электронных устройствах с очень низкими энергетическими потерями.

Если сам селенид висмута является топологическим изолятором, то при небольшом легировании его стронцием, ниобием или медью, он становится сверхпроводником с довольно необычными свойствами. В частности, верхнее критическое поле в таком сверхпроводнике зависит от кристаллографического направления.

Александр Дубов