Саморазрушающий эффект магнитнолегированных топологических изоляторов

Открытие "топологически защищенной" электропроводности на поверхности некоторых материалов, чей внутренний объем действует как изолятор, было одним из самых сенсационных достижений в последнее десятилетие физики конденсированных сред с предсказаниями необычных электронных состояний и новых приложений. Но многие из этих предсказанных явлений до сих пор не наблюдались. Теперь новое исследование на атомной шкале поверхностных свойств одного из этих ферромагнитных топологических изоляторов показывает, что эти материалы могут быть не тем, чем они казались.

Исследования, проводимые Брукхейвенской национальной лабораторией Департамента энергетики США и опубликованные в Early Edition of the Proceedings of the National Academy of Sciences, показали крайний беспорядок у фундаментального свойства поверхностных электронов, известного как «масса Дирака». Подобно массе, придаваемой элементарным частицам их взаимодействием с недавно подтвержденным полем Хиггса, масса Дирака является результатом взаимодействия поверхностных частиц с магнитными полями. Эти поля создаются присутствием магнитных атомов, подставленных в кристаллическую решетку материала, чтобы преобразовать его в ферромагнитный топологический изолятор.

«Мы обнаружили, что масса Дирака чрезвычайно неупорядоченная на наноуровне, что абсолютно не предусматривалось, - сказал проф. Дэвис (J.C. Séamus Davis). - Аналогичной ситуацией для элементарных частиц было бы, если бы поле Хиггса было случайным всем пространстве, так что масса электрона (и масса автомобиля или человека) была бы случайной в каждом месте. Это была бы чрезвычайно хаотичная вселенная».

В ферромагнитных топологических изоляторах, сказал проф. Дэвис, хаос, в конечном итоге, разрушает экзотическое состояние поверхности.

«Наши результаты объясняют, почему многие из электронных явлений, которые, как ожидается, должны присутствовать в ферромагнитных топологических изоляторах, на самом деле подавляются теми же атомами, которые генерируют это состояние, и предлагают представление истинного механизма атомного масштаба, посредством которого возникают наблюдаемые свойства, - сказал проф. Дэвис. - Это новое понимание, вероятно, приведет к пересмотру основных направлений исследований в этой области».

Под руководством  проф. Дэвиса научный сотрудник Иньхи Ли (Inhee Lee) и Чун-Ку Ким (Chung Koo Kim) изучили почти идеальные кристаллы ферромагнитных топологических изоляторов, выращенных физиком Геньда Гу (Genda Gu). Они использовали спектроскопические изображения сканирующего туннельного микроскопа (SI-СТМ), спроектированного и построенного проф. Дэвисом в Брукхейвене для сканирования поверхности этих кристаллов атом за атомом. Этот инструмент дает возможность одновременно выявить позиции магнитных атомов легирующей примеси и результирующие массы Дирака.

До этой работы ученые предположили, что эти магнитные атомы легирующей примеси не причиняют ущерб топологическим поверхностным состояниям. Но никто напрямую не изучал, как пространственное расположение магнитных атомов легирующей примеси на атомном масштабе влияет на массы Дирака, потому что до сих пор не было надежных методов это сделать.

Новые данные SI-СТМ показали не только интенсивный беспорядок в массах Дирака на наношкале, но также и то, что этот беспорядок напрямую связан с флуктуациями плотности магнитных атомов легирующей примеси на различных частях поверхности кристалла. В работе ученые также предоставили первые прямые экспериментальные данные фактического механизма возникновения поверхностного ферромагнетизма в топологическом изоляторе и непосредственно определили силу взаимодействия поверхностных состояний магнитных примесей.

«Предложенный нами метод открывает принципиально новые перспективы для физики ферромагнитных топологических изоляторов, - сказал проф. Дэвис. - Основное значение этих открытий, кроме ясной и прямой картины того, что происходит на атомном уровне, в том, что в ферромагнитных топологических изоляторах с преобладанием влияния магнитных легирующих атомов многие из экзотических и потенциально ценных явлений, ожидаемых для этих материалов, фактически подавляются случайными колебаниями масс Дирака».

Топографический образ локусов легирующей примеси атомов хрома на поверхности топологического изолятора