Nowe materiałyelektroniczne, topologiczne izolatory krystaliczne, wytworzono i zbadano w Instytucie Fizyki PAN w Warszawie. Odkrycie, dokonane przez polskich naukowców w grupie kierowanej przez prof. Tomasza Storego
we współpracy zeszwedzkimi kolegami z laboratorium synchrotronowegoMAX-labUniwersytetu w Lund i Królewskiego Instytutu Techniki (KTH)w Sztokholmie zostało właśnie opublikowane w prestiżowymmiesięczniku „Nature Materials”.
Jednym z najważniejszychwyników badań w dziedzinie fizyki materii skondensowanej ostatnichlat jest odkrycie nowej klasy materiałów, tzw. izolatorówtopologicznych. Ku zdumieniu świata fizyki wykazano, żeuwzględnienie w opisie materii skondensowanej subtelnych efektówkwantowych, opisujących zjawiska w mikroświecie atomów, orazefektów relatywistycznych, kluczowych dla elektronów poruszającychsię z prędkościami porównywalnymi z prędkością światła,powinno prowadzić do istnienia materiałów o niespotykanychdotychczas właściwościach, nieopisanych w podręcznikach inieznanych wcześniej eksperymentatorom. Będąc idealnymiizolatorami, czyli materiałami nieprzewodzącymi elektryczności wobjętości kryształu, izolatory topologiczne na swojej powierzchnisą metalami. Spontaniczne powstawanie metalicznego przewodnictwaelektrycznego na powierzchni związane jest z symetrią oddziaływańkwantowych względem odwrócenia czasu i zjawisk relatywistycznych wszczególnej klasie materiałów utworzonych z tzw. „ciężkich”pierwiastków układu okresowego. Opis matematyczny tych szczególnychwłaściwości ruchu elektronów posługuje się metodami topologii,działu matematyki związanego z badaniem kształtu - stąd nazwatych materiałów „izolatory topologiczne”.
Dla przyszłych zastosowań elektronicznych kluczową cechą tychmateriałów jest bardzo duże przewodnictwo elektryczne ichpowierzchni. Jest to rezultat właśnie tych szczególnych,topologicznych, właściwości elektronowych stanów powierzchniowychprzewodzących prąd, które uniemożliwiają rozpraszanieelektronów. Oczekuje się, że taka ochrona topologiczna pozwoli naznacznie szybszy przepływ prądu elektrycznego i wydatnezmniejszenie wydzielania ciepła w układach mikro- inanoelektronicznych. Egzotyczne własności kwantowe stanówelektronowych, a zwłaszcza sprzężenie ruchu orbitalnego elektronówz ich spinowym momentem magnetycznym budzi także nadzieję na nowezastosowania takich powierzchniowych prądów spinowych w spintronice- nowej gałęzi elektroniki, rozwijanej także w IF PAN.
Dotychczas wytworzonoi zbadano właściwości elektronowe szeregu kryształów i wykazano,że izolatorem topologicznym jest na przykład selenek bizmutu ipodobne materiały utworzone z pierwiastków V i VI grupy układuokresowego Są to materiały dobrze znane, wykorzystywane na przykładw termoelektrycznych chłodziarkach w komputerach. Jednak bardzo dużekoncentracje defektów krystalicznych w tych kryształachuniemożliwiają kontrolowanie właściwości elektrycznych tychmateriałów w zakresie niezbędnym dla zastosowań elektronicznych,np. w szybkich tranzystorach.
Naukowcy z Politechniki Stanu Massachusetts (MIT) w ubiegłym roku wskazali namożliwość istnienia nowej klasy materiałów, tzw. krystalicznychizolatorów topologicznych, w których kluczową rolę odgrywają nieefekty relatywistyczne, a odpowiednio symetryczne rozmieszczenieatomów w sieci krystalicznej i na powierzchni kryształu.Przewidywano, że takim materiałem może być tellurek cyny, znany zzastosowań w laserach i detektorach promieniowania podczerwonegooraz w generatorach termoelektrycznych.
Równocześnie z ukazaniem się amerykańskich prac teoretycznych zespół prof.Storego doświadczalnie odkrył przewodzące powierzchniowe stanyelektronowe krystalicznego izolatora topologicznego w wytworzonych wtym celu w IF PAN trójskładnikowych kryształach (Pb,Sn)Se,zbudowanych z ołowiu, cyny i selenu.
Do wytwarzania wysokiej jakości monokryształów (Pb,Sn)Se zastosowano oryginalną metodęsamoselekcjonującego wzrostu kryształów z fazy gazowej opracowanąw IF PAN przez dr hab. Andrzeja Szczerbakowa.
Kluczowym dowodem istnienia na powierzchni kryształów (Pb,Sn)Se stanówizolatora topologicznego są wyniki pomiarów struktury elektronowejwykonane metodą kątowo-rozdzielczej fotoemisyjnej spektroskopiielektronowej ARPES (od skrótu nazwy metody w języku angielskim). Wtej metodzie doświadczalnej, wyjaśnia prof. Bogdan Kowalski,precyzyjnie analizowane są energia i pęd elektronów wybijanych zkryształu do próżni w wyniku naświetlania promieniowaniemultrafioletowym. Pomiary metodą ARPES kryształów wytworzonych w IFPAN polscy naukowcy wykonali we współpracy ze szwedzkimi kolegami.Analiza wyników pomiarów fotoemisyjnych jednoznacznie potwierdziłatakże obliczenia struktury elektronowej tych materiałów wykonane wIF PAN przez prof. Ryszarda Buczkę.
Wyniki pomiarów fotoemisyjnych kryształów (Pb,Sn)Se i (Pb,Sn)Te pokazały że możnasterować ich właściwościami za pomocą zewnętrznych parametrów.W szczególności, jak podkreśla prof. Story, zademonstrowano, żew (Pb,Sn)Se przejście od fazy izolatora pasmowego do fazy izolatoratopologicznego, z metalicznymi stanami powierzchniowymi, może byćindukowane temperaturą.
Zdaniem autorów, odkrycie właściwościizolatorów topologicznych w kryształach (Pb,Sn)Se i (Pb,Sn)Testworzyło możliwość zastosowań niezwykłych zjawiskelektronicznych w następnej generacji przyrządów. W tej grupiemateriałów, domieszkowanych magnetycznymi jonami manganu, jak(Sn,Mn)Te, obserwuje się także ferromagnetyzm. Postulowanateoretycznie możliwość współistnienia ferromagnetyzmu i stanukrystalicznego izolatora topologicznego jest jednym z najbardziejintrygujących wyzwań badawczych spintroniki.
Technologia wytwarzania kryształów (Pb,Sn)Se jest rozwijana w IF PAN w projekcie badawczym„Nowoczesne materiały i innowacyjne metody dla przetwarzania imonitorowania energii (MIME)” w ramach Programu OperacyjnegoInnowacyjna Gospodarka.
