Ученые Московского физико-технического института и Московского государственного университета совершили значительный шаг вперед, разработав передовую технологию синтеза крупных кристаллов магнитных топологических изоляторов. Эти уникальные материалы открывают новые горизонты для квантовых вычислений и создания сверхэффективной электроники. Инновационная методика обеспечивает получение кристаллов размером в несколько сантиметров с исключительной чистотой и стабильностью параметров.
Магнитные топологические изоляторы: уникальные свойства и вызовы
Магнитные топологические изоляторы представляют собой удивительный класс материалов, проводящих электричество исключительно на поверхности, сохраняя изолирующие свойства в объеме. Эти характеристики делают их идеальной основой для квантовых процессоров и устройств электроники будущего. Однако их широкое внедрение долгое время сдерживала фундаментальная проблема – инконгруэнтное плавление, приводящее к распаду соединений при нагреве и невозможности получения крупных, совершенных кристаллов стандартными способами.
Инновационное решение: выращивание в трехфазном равновесии
Российские исследователи нашли оригинальный выход, предложив метод выращивания в условиях трехфазного равновесия. В отличие от классических подходов с использованием расплава фиксированного состава, новая технология поддерживает одновременное присутствие трех ключевых фаз: формирующегося кристалла, расплава и твердого тугоплавкого компонента.
Комментарии авторов открытия
«Нам удалось создать новый подход к синтезу, основанный на применении двухфазного источника в стандартной установке Бриджмена. Это яркий пример того, как глубокое знание фазовых диаграмм позволяет решить сложнейшую практическую задачу – выращивание крупных однородных монокристаллов. Получение образцов сантиметрового размера, демонстрирующих широкие террасы на поверхности скола, прямо указывает на их высочайшее структурное качество. Наша методика не только решает проблему для целого ряда теллуридов, но и перспективна для других сложных многокомпонентных соединений с узкой областью кристаллизации», – подчеркивает Лада Яшина, ведущий научный сотрудник лаборатории МФТИ.
«Особенно значимым представляется успешное применение метода к четверным системам, таким как (Ge,Mn)Bi2Te4 и Mn(Bi,In)2Te4, где контроль стехиометрии традиционно был крайне затруднен. Достигнутый контроль над коэффициентом сегрегации и однородностью распределения катионов в твердом растворе открывает путь к целенаправленному синтезу материалов с заданными электронными и магнитными свойствами», – добавляет Александр Фролов, заведующий лабораторией МФТИ.
«Предложенная технология кристаллизации в условиях перитектики позволяет получать массивные, высококачественные образцы магнитных топологических изоляторов, например, MnBi2Te4, которые ранее были доступны лишь в виде тонких пленок или мелких кристаллитов. Высокое структурное совершенство наших кристаллов, подтвержденное методами ARPES и STM, открывает возможности для детального изучения квантовых аномальных и спиновых эффектов Холла в объемных материалах. Управление составом твердых растворов, а значит, положением уровня Ферми и магнитными характеристиками, делает эту платформу идеальной для поиска новых экзотических квантовых состояний, таких как аксионный изолятор», – поясняет Василий Столяров, директор Центра МФТИ.
Путь к материалам с программируемыми свойствами
Разработанная технология прокладывает дорогу к созданию материалов с заранее заданными характеристиками, обеспечивая точный контроль состава кристаллов. Это критически важно для управления их ключевыми магнитными и электронными свойствами.
Стратегическое значение для квантовых технологий России
Эта разработка обладает стратегической важностью для прогресса квантовых технологий в стране. Высококачественные кристаллы магнитных топологических изоляторов необходимы для создания стабильных кубитов – фундаментальных элементов квантовых компьютеров, а также для разработки энергоэффективной электроники и спинтронных устройств нового поколения.
Поддержка фундаментальной науки
Исследование стало возможным благодаря поддержке Российского научного фонда.
Источник: scientificrussia.ru
