Коллектив физиков из МФТИ и МГУ в составе международной команды обнаружил, что на поверхности слоистых топологических изоляторов GeBi₄Te₇ и MnBi₄Te₇ возникает встроенное электрическое поле — следствие перераспределения заряда между разными слоями кристалла из-за атомных дефектов.
Топологические изоляторы — один из самых интригующих классов материалов последних двух десятилетий. Внутри они не проводят ток, как и положено изолятору, зато по их поверхности бежит особый «топологический» металлический ток. Эти поверхностные состояния защищены симметрией и устойчивы к примесям и дефектам — за такими электронами охотятся в спинтронике и квантовых вычислениях.
Электроны в этих состояниях ведут себя как безмассовые релятивистские частицы, а их энергетический спектр имеет форму конуса — так называемого конуса Дирака. Положение вершины этого конуса по энергии задает свойства поверхности.
Герои работы — слоистые кристаллы GeBi₄Te₇ и MnBi₄Te₇ из семейства 147. Их удобно представить как «слойку»: кристалл собран из чередующихся блоков двух сортов — пятислойных (QL, типа Bi₂Te₃) и семислойных (SL, типа GeBi₂Te₄), скрепленных слабыми вандерваальсовыми связями.
При раскалывании такого кристалла наружу может выйти либо QL-, либо SL-блок. Оказалось, что от того, какой именно блок оказался сверху, заметно зависят электронные свойства поверхности.
Рисунок. Природная «слойка»: кристалл собран из чередующихся пятислойных (QL, Bi₂Te₃) и семислойных (SL, GeBi₂Te₄) блоков. Антиструктурные дефекты в SL-блоках делают их донорами электронов, заряд перетекает между блоками, и у поверхности возникает встроенное электрическое поле. Источник: Communications Materials
Физики из МФТИ и МГУ вместе с коллегами решили разобраться, чем именно различаются два типа поверхности и что за этим стоит. Чтобы увидеть картину целиком, они объединили несколько мощных методов
Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES) позволила напрямую «сфотографировать» конусы Дирака и измерить их положение по энергии. Сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия (СТМ/СТС) дала атомарное разрешение поверхности и измерила работу выхода — энергию, которую нужно затратить, чтобы вырвать из материала электрон. А расчеты из первых принципов связали наблюдения с атомным строением кристалла.
ARPES показал главное: у каждого типа поверхности — свой набор топологических состояний, и вершины их конусов Дирака сдвинуты друг относительно друга примерно на 160 мэВ. Сдвиг идеально воспроизводился от образца к образцу и от скола к сколу.
Работа опубликована в журнале Communications Materials. Исследование поддержано Российским научным фондом (гранты №22-72-10074 и №23-72-00020) и Министерством науки и высшего образования РФ (грант №075-15-2025-010).
Источник: Минобрнауки России
