Физики Томского государственного университета, Института физики полупроводников СО РАН, НИИ физики ЮФУ, Института металлургии УрО РАН и СПбГУ изучили поведение фононов — квантов колебаний кристаллической решётки — в топологических изоляторах — теллуриде висмута (Bi₂Te₃) и BSTS. Исследователи обнаружили две связанные аномалии: в определённом диапазоне температур частота фононов увеличивалась при нагревании, хотя, предположительно, должна была снижаться, а их спектральные линии, напротив, сужались. Это явление противоречит классическим представлениям о поведении кристаллической решетки. Результаты исследования позволят глубже понять свойства материалов, что в перспективе будет способствовать разработке более эффективных электронных и квантовых устройств, например, таких как спиновые транзисторы, головки для жёстких дисков, топологически защищённых кубитов и других.
Топологические изоляторы — это уникальные материалы, которые в объёмном состоянии ведут себя как обычные изоляторы, но обладают поверхностью, вдоль которой электрический ток может течь, практически не испытывая сопротивления. Благодаря этим свойствам они считаются перспективной основой для малоэнергопотребляющей электроники.
Учёные исследовали кристаллическую структуру и динамику решетки плёнок теллурида висмута (Bi₂Te₃) и смеси на основе висмута, сурьмы, теллура и селена (BSTS; Bi₀,₈Sb₁,₂Te₁,₈Se₁,₂) при различных температурах. Рентгеновская дифракция подтвердила, что с ростом температуры происходит классическое тепловое расширение кристаллической решетки. Однако при температурах ниже температуры Дебая (около -120,15oC) исследователи зафиксировали две взаимосвязанные аномалии, противоречащие этому расширению.
Мы обнаружили эффект, противоречащий классической ангармонической теории, — отмечает доцент кафедры физики полупроводников физического факультета ТГУ Ниранджан Кумар, один из авторов исследования. — Во-первых, несмотря на тепловое расширение кристалла, которое обычно ослабляет межатомные связи и снижает частоту колебаний, частота фононных мод в этом диапазоне температур возрастает. Во-вторых, ширина их спектральных линий при нагревании уменьшается, что свидетельствует об увеличении времени жизни фононов.
Учёные связывают наблюдаемые эффекты с электрон-фононным взаимодействием (ЭФВ) — взаимодействием электронов с колебаниями кристаллической решётки. Важную роль, по мнению исследователей, играет резонанс Фано — явление, возникающее при взаимодействии дискретного состояния фонона с непрерывным спектром электронных состояний. В одном материале (Bi2Te3) это взаимодействие слабее и не приводит к измеримой асимметрии спектра, во втором (BSTS) резонанс Фано достигает максимальной величины вблизи температуры Дебая. При дальнейшем повышении температуры когерентная квантовая интерференция ослабевает, и в систему вступает классическое ангармоническое фонон-фононное рассеяние.
Полученные результаты перспективны для понимания того, как температура влияет на электронные состояния топологических изоляторов. Хотя поверхностные состояния таких материалов защищены от обратного рассеяния на обычных примесях, взаимодействие электронов с фононами приводит к обмену энергией и импульсом. В результате нарушается квантовая согласованность электронов, что ограничивает их движение без столкновений и сокращает время жизни носителей заряда.
Понимание температурных порогов и механизмов электрон-фононных взаимодействий позволит найти способы контроля этих эффектов, что откроет путь к поддержанию топологической защиты поверхностных состояний при разработке спинтронных устройств (прим. элементов спиновой памяти и логики), работающих в реальных тепловых условиях, — отметил Кумар Ниранджан.
Статья опубликована в журнале Surfaces and Interfaces.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (госзадание № FENW-2026-0010), а также в рамках государственного задания Минобрнауки РФ для ИФП СО РАН (№ FWGW-2025-0011) и проекта СПбГУ (№ 125022702939-2).
Источник: Минобрнауки России
