Физики обнаружили новый тип фазовых переходов в топологических изоляторах

С помощью легирования кристаллических структур топологических изоляторов можно инициировать фазовый переход между двумя фазами с разным типом топологической защиты. Такой эффект международная группа физиков обнаружила, легируя полупроводниковую пленку смешанного селенида свинца и олова атомами висмута. Работа опубликована в Nature Communications.

При взаимодействии электронов с магнитным полем внутри кристаллического материала их энергетическое состояние можно описывать в терминах заполнения уровней Ландау. В случае, когда один уровень полностью заполнен, а следующий заполняться еще не начал, вещество может приобретать свойства топологического изолятора — диэлектрика, у которого на поверхности формируется проводящий слой. При этом такое состояние является топологически защищенным, и не разрушив энергетическую структуру полностью, изменить его невозможно. Подробнее о топологических изоляторах и топологической защите вы можете прочитать в нашем материале.

В своем новом исследовании ученые изучили процессы, происходящие при легировании висмутом тонких слоев топологического изолятора Pb_1−xSn_xSe. Оказалось, что в зависимости от внешних условий и концентрации висмута для такого материала характерно три различных диэлектрических фазы: простой диэлектрик и две фазы топологического изолятора с разным типом топологической защиты.

Энергетическое состояние таких материалов обычно представляют в виде зависимости энергии электрона от его импульса, которые образуют зонную структуру в виде так называемых конусов Дирака. Тип фазы в топологическом изоляторе зависит от количества конусов Дирака. Если их нечетное количество, то образуется фаза с сильной топологической защитой. Если же их четное количество, то материал должен становиться простым диэлектриком или очень слабым топологическим изолятором. Однако в некоторых материалах к топологической защите может приводить симметрия кристалла, образуя топологический изолятор с кристаллической защитой.

Переход от простого диэлектрика к топологическим изоляторам с кристаллической защитой ученым удалось наблюдать при изменении доли олова в смешанном селениде Pb_1−xSn_xSe в веществе и форму ученые изучали с помощью метода фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, которая позволяет исследовать форму образованных дираковских конусов.

Выянилось, что если добавить в структуру атомы висмута, то можно инициировать фазовый переход из состояния топологического изолятора со слабой кристаллической защитой в состояние с сильной топологической защитой.

Оказалось, что в зависимости от температуры и содержания висмута, меняется количество конусов Дирака и соответственно, топологическая фаза вещества. Так, при низких температурах и небольшом содержании висмута пленка имеет кристаллическую топологическую защиту. Если поднять содержание висмута выше 0,5 процентов, то вещество становится топологическим изолятором с сильной топологической защитой. А если увеличить температуру, то материал теряет свойства топологического изолятора и становится простым диэлектриком.

Такой эффект ученые объясняют искажением кристаллической структуры и локальных электрических полей внутри кристалла. Что интересно, одна из фаз с топологической защитой является сегнетоэлектрической, в которой даже в отсутствии внешнего электрического поля могут возникать области спонтанной поляризации.

По словам ученых, сделанные ими открытия позволяют значительно расширить фазовые диаграммы для топологических изоляторов и предлагают пути для переключения их свойств с помощью искажения кристаллической структуры или внешнего электрического поля.

При помощью изменения химического состава топологических изоляторов, можно наблюдать и другие фазовые переходы. Так, например, с помощью легирования селенида висмута стронцием можно топологический изолятор превратить в сверхпроводник. А если топологический изолятор объединить с ферромагнетиком, то такие системы можно использовать для управления спиновыми вихрями.

Александр Дубов