Сдвиг точки Дирака в замещенных топологических изоляторах или уровень Ферми в “песочных часах”
Топологические изоляторы – материалы, в которых поверхностные электронные состояния образуют конусы Дирака – линейные дисперсионные зависимости, внешне напоминающие песочные часы. Наиболее интересной ситуацией является состояние, при котором уровень Ферми проходит через “горловину” этих “песочных часов” – точку Дирака. В этом случае кристалл нельзя отнести ни к изоляторам (поскольку нет запрещенной зоны), ни к металлам (поскольку в точке Дирака плотность состояний обращается в ноль). Если же такой материал проявляет еще и магнитные свойства, то возникает целый букет физических эффектов: квантовый аномальный эффект Холла, состояние аксионного изолятора, топологическое сверхпроводящее состояние и т.п.
Однако придание топологическому изолятору магнитных свойств, часто сводящееся к простому легированию магнитными примесями, приводит к обычным в таких случаях проблемам, связанных с внесением дефектов – снижения качества образца и уменьшению подвижности электронов. В этой связи топологический изолятор MnBi2Te4 с собственными магнитными свойствами, открытый меньше трех лет назад [1], представляет настоящий подарок для исследователей.
Возможности управления относительным положением точки Дирака и уровнем Ферми в этом материале убедительно продемонстрированы в недавней статье [2] от коллектива авторов, включающего исследователей из Санкт-Петербургского государственного университета и МИСиС (авторов первого сообщения о топологических свойствах MnBi2Te4 [1]), а также их коллег из Новосибирского государственного университета, Кемеровского государственного университета и академических институтов Сибирского отделения РАН. Путем замещения висмута в соединении MnBi2Te4 атомами сурьмы им удалось превратить материал с электронной проводимостью в полуметалл Вейля, а затем и в среду с дырочной проводимостью. Соответствующие электронные состояния при различных концентрациях сурьмы, полученные методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, представлены на рисунке.
Энергетический сдвиг точки Дирака (ее уровень энергии показан голубой штриховой линией) относительно уровня Ферми (ноль по шкале энергий) при замещении висмута сурьмой в MnBi2Te4: а – дисперсионные зависимости в чистом составе (можно видеть конус Дирака,
соответствующий топологическим поверхностным состояниям); b-h – замещенные составы с относительной долей сурьмы Sb=0.16¸1.
Заполнение уровней электронами показано песочным цветом [2]. По мере замещения висмута сурьмой наблюдается энергетический сдвиг валентной зоны в направлении уровня Ферми, при этом также сдвигается и зона проводимости, так что электронная структура остается “жесткой”, т.е. “песочные часы” не меняют формы. При полном замещении уровень Ферми лежит уже в валентной зоне на несколько десятых электронвольт ниже точки Дирака рис., правый нижний угол). Если, напротив, уменьшать концентрацию сурьмы, то уровень Ферми, поднимается и при 30%-ном замещении висмута сурьмой оказывается в “горловине песочных часов” – точке Дирака (рис., правый верхний угол). Это состояние и соответствует полуметаллу Вейля.
Особо стоит отметить, что во всем диапазоне, от нуля до стопроцентного замещения, соединение остается топологическим изолятором. Магнитные свойства его также стабильны, поскольку концентрация марганца при замещении заметно не меняется.
А. Пятаков
1. M.Otrokov et al., Nature 576, 416 (2019).
2. Д.А.Глазкова и др., Письма в ЖЭТФ 115, 315 (2022).
