КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 18-12-00062
НазваниеМагнитно-упорядоченные 2D системы с Дираковским конусом электронных состояний как ключевые материалы для устройств спинтроники и топологических квантовых компьютеров
Руководитель Шикин Александр Михайлович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург
Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-203 - Поверхность и тонкие пленки
Ключевые слова Магнитно-упорядоченные топологические изоляторы, графен, магнитные переходные и редкоземельные металлы, электронная и спиновая структура, фотоэлектронная спектроскопия, спин-орбитальное взаимодействие
Код ГРНТИ29.19.24
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на детальное изучение особенностей электронной структуры нового класса магнитно-упорядоченных систем с Дираковским конусом электронных состояний и геликоидальной спиновой структурой на основе топологических изоляторов, графена и металлов с большим обменным и спин-орбитальным взаимодействием для выявления условий реализации эффектов топологического квантования электронных и магнитных свойств, таких как квантовый аномальный и спиновый эффект Холла, фермионы Майорана и топологический магнито-электрический эффект и поиск основных факторов и особенностей в электронной и спиновой структуре, определяющих эффективность реализации данных явлений, для их использования в спинтронике и квантовых вычислениях. Данные системы характеризуются более оптимальными условиями для реализации эффектов топологического квантования при более высоких температурах вследствие большего магнитного момента и перекрытия электронных облаков, обуславливающих непосредственное и более эффективное воздействие индуцированного магнитного поля, создаваемого упорядоченно расположенными атомами магнитных металлов, на поверхностные топологические состояния и приводящего к более эффективному взаимовлиянию обменного и спин-орбитального взаимодействия по сравнению с традиционно используемым эффектом «магнитной близости». В качестве основных объектов исследования будут использоваться:
а) топологические изоляторы с варьируемой шириной запрещенной зоны и различной локализацией уровня Ферми и точки Дирака с упорядоченным расположением атомов внедренных магнитных переходных (Mn,V) и редкоземельных (Gd, Dy, Pr, Er, Ho) металлов, приводящего к открытию энергетической щели в точке Дирака и контролируемой вариации ее величины и энергетического расположения относительно уровня Ферми, что обуславливает эффективность реализации квантового аномального эффекта Холла и топологического магнито-элекрического эффекта;
б) монослои графена, синтезированные на поверхности переходных магнитных (Co) и немагнитных (Pt, Ir, Re) d-металлов, с контролируемой упорядоченной интеркаляцией атомов тяжелых (Bi, Pt, Au) и магнитных (Gd, Ho) металлов с высоким спин-орбитальным и обменным взаимодействием, приводящей к эффектам индуцированного в графене аномально-высокого спинового расщепления электронных состояний и созданию магнито-спин-орбитального графена и топологической фазы в графене.
Для экспериментального определения особенностей электронной и спиновой структуры будут использованы методы фотоэлектронной спектроскопии с ультравысоким угловым и спиновым разрешением и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии внутренних уровней с анализом тонкой структуры спектров. Для анализа морфологии и локальной атомной структуры исследуемых систем, пространственного распределения концентрации магнитных примесей будет использован метод сверхвысоковакуумной сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии. Изучение магнитных и магнито-транспортных характеристик будет производиться при помощи СКВИД магнитометрии и измерений эффекта Холла.
Поставленные в рамках проекта научные задачи анализа особенностей электронной и спиновой структуры нового класса «квантовых» магнитно-упорядоченных систем с Дираковским конусом электронных состояний и их взаимосвязи с эффективностью реализации эффектов топологического квантования электронных и магнитных свойств важны для разработки прототипов устройств спинтроники и квантовых компьютеров, на основе графена и топологических изоляторов, использующих свойства новых квантовых материалов и соответствующие эффекты, что обуславливает высокую научную значимость и перспективность проводимых исследований. Научные проблемы и исследования, предлагаемые в рамках проекта, являются, безусловно, актуальными, причем как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения эффективного использования исследуемых эффектов при создании новых нанотехнологических и спиновых электронных устройств и при разработке модели квантового компьютера (спиновый транзистор, топологический «кубит» и др.). Предлагаемые для исследования нового типа квантовые системы с упорядоченным расположением магнитных атомов, в отличие от «беспорядоченного» расположения атомов внедренной магнитной примеси характеризуются более оптимальными условиями для реализации квантового аномального эффекта Холла и топологического магнито-электрического эффекта в более широком диапазоне температур вследствие более эффективного воздействия индуцированного магнитного поля, создаваемого упорядоченно расположенными атомами магнитных металлов, на топологические состояния. Все задачи проекта оригинальны и обладают несомненной научной новизной. Все результаты, которые планируется получить в рамках работ по проекту, являются оригинальными и высокоперспективными для использования в современной наноэлектронике.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Шикин А.М., Рыбкина А.А., Естюнин Д.А., Состина Д.М., Ворошнин В.Ю., Климовских И.И., Рыбкин А.Г., Сурнин Ю.А., Кох К.А., Терещенко О.Е., Петача Л., Ди Санто Г., Скирдков П.Н., Звездин К.А., Звездин А.К., Кимура А., Чулков Е.В., Красовский Е.Е.
Signatures of in-plane and out-of-plane magnetization generated by synchrotron radiation in magnetically doped and pristine topological insulators
Physical Review B - Condensed Matter, Volume 97, Issue 24, Number 245407 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.97.245407
2.
Отроков М.М., Климовских И.И., Цаллея Ф., Шикин А.М., Вилков О., Рыбкин А.Г., Естюнин Д., Муфф С., Дил Дж..Х., Вазкуез де Парга А.Л., Миранда Р., Очоа Х., Гуинеа Ф., Церда Дж..И., Чулков Е.В., Арнау А.
Evidence of large spin-orbit coupling effects in quasi-free-standing graphene on Pb/Ir(111)
2D Materials, 2D Mater. 5, 035029 (год публикации - 2018)
10.1088/2053-1583/aac596
3.
Климовских И.И., Кривенков М., Варыхалов А., Естюнин Д., Шикин А.М.
Reconstructed Fermi surface in graphene on Ir(111) by Gd-Ir surface alloying
Carbon, Volume 147, Pages 182-186 (год публикации - 2019)
10.1016/j.carbon.2019.02.037
4.
Шикин А.М., Естюнин Д.А., Сурнин Ю.И., Королева А.В., Шевченко Е.В., Кох К.А., Терещенко О.Е., Кумар С., Счвиер Е.Ф., Шимада К., Ешикава Т., Саитох Ы., Такеда Ы., Кимура А.
Dirac gap opening and Dirac-fermion-mediated magnetic coupling in antiferromagnetic Gd-doped topological insulators and their manipulation by synchrotron radiation
Scientific Reports, vol. 9, 4813 (2019) (год публикации - 2019)
10.1038/s41598-019-41137-w
5.
Швец И.А., Климовских И.И., Алиев З.С., Бабанлы М.Б,. Суньига Ф.Я., Санчез-Баррига Я., Кривенков М., Шикин А.М., Чулков Е.В.
Surface electronic structure of the wide band gap topological insulator PbBi4Te4Se3
PHYSICAL REVIEW B, Phys. Rev. B 100, 195127 (2019) (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevB.100.195127
6.
Фильнов С.О., Сурнин Ю.А., Королева А.В., Климовских И.И., Естюнин Д.А., Варыхалов А., Бокай К.А., Терещенко О.Е., Голяшов В.А., Шевченко Е.В., Шикин А.М.
Magnetic and Electronic Properties of Gd-Doped Topological Insulator Bi1.09Gd0.06Sb0.85Te3
Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 129, No. 3, pp. 404–412 (год публикации - 2019)
10.1134/S106377611908003X
7. Отроков М.М., Климовских И.И., Бентманн Х., Естюнин Д., Зеугнер А., Алиев З.С., Гас С., Волтер А.У.Б., Королева А.В., Шикин А.М., ... Prediction and observation of the first antiferromagnetic topological insulator Nature (год публикации - 2019)
8. Шикин А.М., Естюнин Д.А., Королева А.В., Глазкова Д.А., Макарова Т.П., Фильнов С.О. Механизм открытия щели в точке Дирака в электронном спектре Gd-допированного топологического изолятора Физика твердого тела/Physics of the Solid State (год публикации - 2020)
9.
Климовских И.И., Отроков М.М., Естюнин Д., ..., Фильнов С.О., ..., Рыбкин А.Г., ..., Шикин А.М., Чулков Е.В.
Tunable 3D/2D magnetism in the (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m topological insulators family
npj Quantum Materials, volume 5, Article number: 54 (2020) (год публикации - 2020)
10.1038/s41535-020-00255-9
10.
Рыбкин А.Г., Рыбкина А.А., Тарасов А.В., Пудиков Д.А., Климовских И.И., ..., Естюнин Д.А., ..., Шикин А.М.
A new approach for synthesis of epitaxial nano-thin Pt5Gd alloy via intercalation underneath a graphene
Applied Surface Science, Volume 526, 146687 (год публикации - 2020)
10.1016/j.apsusc.2020.146687
11.
Шикин А.М., Естюнин Д.А., Климовских И.И., Фильнов С.О., ..., Отроков М.М., Еремеев С.В., Чулков Е.В.
Nature of the Dirac gap modulation and surface magnetic interaction in axion antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4
Scientific Reports, volume 10, Article number: 13226 (2020) (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-70089-9
12.
Естюнин Д., Климовских И.И., Шикин А.М., ..., Фильнов С., Алиев З., Бабанлы М., Чулков Е.В.
Signatures of temperature driven antiferromagnetic transition in the electronic structure of topological insulator MnBi2Te4
APL Materials, 8, 021105 (2020) (год публикации - 2020)
10.1063/1.5142846
13.
Фильнов С.О., Климовских И.И., Естюнин Д.А., ..., Рыбкин А.Г., ..., Шикин А.М., Чулков Е.В.
Probe-dependent Dirac-point gap in the gadolinium-doped thallium-based topological insulator TlBi0.9Gd0.1Se2
Physical Review B, 102, 085149 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevB.102.085149
14.
Рыбкина А.А., Рыбкин А.Г., Климовских И.И., Скирдков П.Н., Звездин К.А., Звездин А.К., Шикин А.М.
Advanced graphene recording device for spin–orbit torque magnetoresistive random access memory
Nanotechnology, 31, 165201 (2020) (год публикации - 2020)
10.1088/1361-6528/ab6470
15.
Шикин А.М.
Dirac Gap Opening and Modifying Mechanism in an Axion Antiferromagnetic Topological Insulator MnBi2Te4
Physics of the Solid State, volume 62, pages 1460–1468 (2020) (год публикации - 2020)
10.1134/S1063783420080302
Публикации
1.
Шикин А.М., Рыбкина А.А., Естюнин Д.А., Состина Д.М., Ворошнин В.Ю., Климовских И.И., Рыбкин А.Г., Сурнин Ю.А., Кох К.А., Терещенко О.Е., Петача Л., Ди Санто Г., Скирдков П.Н., Звездин К.А., Звездин А.К., Кимура А., Чулков Е.В., Красовский Е.Е.
Signatures of in-plane and out-of-plane magnetization generated by synchrotron radiation in magnetically doped and pristine topological insulators
Physical Review B - Condensed Matter, Volume 97, Issue 24, Number 245407 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.97.245407
2.
Отроков М.М., Климовских И.И., Цаллея Ф., Шикин А.М., Вилков О., Рыбкин А.Г., Естюнин Д., Муфф С., Дил Дж..Х., Вазкуез де Парга А.Л., Миранда Р., Очоа Х., Гуинеа Ф., Церда Дж..И., Чулков Е.В., Арнау А.
Evidence of large spin-orbit coupling effects in quasi-free-standing graphene on Pb/Ir(111)
2D Materials, 2D Mater. 5, 035029 (год публикации - 2018)
10.1088/2053-1583/aac596
3.
Климовских И.И., Кривенков М., Варыхалов А., Естюнин Д., Шикин А.М.
Reconstructed Fermi surface in graphene on Ir(111) by Gd-Ir surface alloying
Carbon, Volume 147, Pages 182-186 (год публикации - 2019)
10.1016/j.carbon.2019.02.037
4.
Шикин А.М., Естюнин Д.А., Сурнин Ю.И., Королева А.В., Шевченко Е.В., Кох К.А., Терещенко О.Е., Кумар С., Счвиер Е.Ф., Шимада К., Ешикава Т., Саитох Ы., Такеда Ы., Кимура А.
Dirac gap opening and Dirac-fermion-mediated magnetic coupling in antiferromagnetic Gd-doped topological insulators and their manipulation by synchrotron radiation
Scientific Reports, vol. 9, 4813 (2019) (год публикации - 2019)
10.1038/s41598-019-41137-w
5.
Швец И.А., Климовских И.И., Алиев З.С., Бабанлы М.Б,. Суньига Ф.Я., Санчез-Баррига Я., Кривенков М., Шикин А.М., Чулков Е.В.
Surface electronic structure of the wide band gap topological insulator PbBi4Te4Se3
PHYSICAL REVIEW B, Phys. Rev. B 100, 195127 (2019) (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevB.100.195127
6.
Фильнов С.О., Сурнин Ю.А., Королева А.В., Климовских И.И., Естюнин Д.А., Варыхалов А., Бокай К.А., Терещенко О.Е., Голяшов В.А., Шевченко Е.В., Шикин А.М.
Magnetic and Electronic Properties of Gd-Doped Topological Insulator Bi1.09Gd0.06Sb0.85Te3
Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 129, No. 3, pp. 404–412 (год публикации - 2019)
10.1134/S106377611908003X
7. Отроков М.М., Климовских И.И., Бентманн Х., Естюнин Д., Зеугнер А., Алиев З.С., Гас С., Волтер А.У.Б., Королева А.В., Шикин А.М., ... Prediction and observation of the first antiferromagnetic topological insulator Nature (год публикации - 2019)
8. Шикин А.М., Естюнин Д.А., Королева А.В., Глазкова Д.А., Макарова Т.П., Фильнов С.О. Механизм открытия щели в точке Дирака в электронном спектре Gd-допированного топологического изолятора Физика твердого тела/Physics of the Solid State (год публикации - 2020)
9.
Климовских И.И., Отроков М.М., Естюнин Д., ..., Фильнов С.О., ..., Рыбкин А.Г., ..., Шикин А.М., Чулков Е.В.
Tunable 3D/2D magnetism in the (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m topological insulators family
npj Quantum Materials, volume 5, Article number: 54 (2020) (год публикации - 2020)
10.1038/s41535-020-00255-9
10.
Рыбкин А.Г., Рыбкина А.А., Тарасов А.В., Пудиков Д.А., Климовских И.И., ..., Естюнин Д.А., ..., Шикин А.М.
A new approach for synthesis of epitaxial nano-thin Pt5Gd alloy via intercalation underneath a graphene
Applied Surface Science, Volume 526, 146687 (год публикации - 2020)
10.1016/j.apsusc.2020.146687
11.
Шикин А.М., Естюнин Д.А., Климовских И.И., Фильнов С.О., ..., Отроков М.М., Еремеев С.В., Чулков Е.В.
Nature of the Dirac gap modulation and surface magnetic interaction in axion antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4
Scientific Reports, volume 10, Article number: 13226 (2020) (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-70089-9
12.
Естюнин Д., Климовских И.И., Шикин А.М., ..., Фильнов С., Алиев З., Бабанлы М., Чулков Е.В.
Signatures of temperature driven antiferromagnetic transition in the electronic structure of topological insulator MnBi2Te4
APL Materials, 8, 021105 (2020) (год публикации - 2020)
10.1063/1.5142846
13.
Фильнов С.О., Климовских И.И., Естюнин Д.А., ..., Рыбкин А.Г., ..., Шикин А.М., Чулков Е.В.
Probe-dependent Dirac-point gap in the gadolinium-doped thallium-based topological insulator TlBi0.9Gd0.1Se2
Physical Review B, 102, 085149 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevB.102.085149
14.
Рыбкина А.А., Рыбкин А.Г., Климовских И.И., Скирдков П.Н., Звездин К.А., Звездин А.К., Шикин А.М.
Advanced graphene recording device for spin–orbit torque magnetoresistive random access memory
Nanotechnology, 31, 165201 (2020) (год публикации - 2020)
10.1088/1361-6528/ab6470
15.
Шикин А.М.
Dirac Gap Opening and Modifying Mechanism in an Axion Antiferromagnetic Topological Insulator MnBi2Te4
Physics of the Solid State, volume 62, pages 1460–1468 (2020) (год публикации - 2020)
10.1134/S1063783420080302
Публикации
1.
Шикин А.М., Рыбкина А.А., Естюнин Д.А., Состина Д.М., Ворошнин В.Ю., Климовских И.И., Рыбкин А.Г., Сурнин Ю.А., Кох К.А., Терещенко О.Е., Петача Л., Ди Санто Г., Скирдков П.Н., Звездин К.А., Звездин А.К., Кимура А., Чулков Е.В., Красовский Е.Е.
Signatures of in-plane and out-of-plane magnetization generated by synchrotron radiation in magnetically doped and pristine topological insulators
Physical Review B - Condensed Matter, Volume 97, Issue 24, Number 245407 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.97.245407
2.
Отроков М.М., Климовских И.И., Цаллея Ф., Шикин А.М., Вилков О., Рыбкин А.Г., Естюнин Д., Муфф С., Дил Дж..Х., Вазкуез де Парга А.Л., Миранда Р., Очоа Х., Гуинеа Ф., Церда Дж..И., Чулков Е.В., Арнау А.
Evidence of large spin-orbit coupling effects in quasi-free-standing graphene on Pb/Ir(111)
2D Materials, 2D Mater. 5, 035029 (год публикации - 2018)
10.1088/2053-1583/aac596
3.
Климовских И.И., Кривенков М., Варыхалов А., Естюнин Д., Шикин А.М.
Reconstructed Fermi surface in graphene on Ir(111) by Gd-Ir surface alloying
Carbon, Volume 147, Pages 182-186 (год публикации - 2019)
10.1016/j.carbon.2019.02.037
4.
Шикин А.М., Естюнин Д.А., Сурнин Ю.И., Королева А.В., Шевченко Е.В., Кох К.А., Терещенко О.Е., Кумар С., Счвиер Е.Ф., Шимада К., Ешикава Т., Саитох Ы., Такеда Ы., Кимура А.
Dirac gap opening and Dirac-fermion-mediated magnetic coupling in antiferromagnetic Gd-doped topological insulators and their manipulation by synchrotron radiation
Scientific Reports, vol. 9, 4813 (2019) (год публикации - 2019)
10.1038/s41598-019-41137-w
5.
Швец И.А., Климовских И.И., Алиев З.С., Бабанлы М.Б,. Суньига Ф.Я., Санчез-Баррига Я., Кривенков М., Шикин А.М., Чулков Е.В.
Surface electronic structure of the wide band gap topological insulator PbBi4Te4Se3
PHYSICAL REVIEW B, Phys. Rev. B 100, 195127 (2019) (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevB.100.195127
6.
Фильнов С.О., Сурнин Ю.А., Королева А.В., Климовских И.И., Естюнин Д.А., Варыхалов А., Бокай К.А., Терещенко О.Е., Голяшов В.А., Шевченко Е.В., Шикин А.М.
Magnetic and Electronic Properties of Gd-Doped Topological Insulator Bi1.09Gd0.06Sb0.85Te3
Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 129, No. 3, pp. 404–412 (год публикации - 2019)
10.1134/S106377611908003X
7. Отроков М.М., Климовских И.И., Бентманн Х., Естюнин Д., Зеугнер А., Алиев З.С., Гас С., Волтер А.У.Б., Королева А.В., Шикин А.М., ... Prediction and observation of the first antiferromagnetic topological insulator Nature (год публикации - 2019)
8. Шикин А.М., Естюнин Д.А., Королева А.В., Глазкова Д.А., Макарова Т.П., Фильнов С.О. Механизм открытия щели в точке Дирака в электронном спектре Gd-допированного топологического изолятора Физика твердого тела/Physics of the Solid State (год публикации - 2020)
9.
Климовских И.И., Отроков М.М., Естюнин Д., ..., Фильнов С.О., ..., Рыбкин А.Г., ..., Шикин А.М., Чулков Е.В.
Tunable 3D/2D magnetism in the (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m topological insulators family
npj Quantum Materials, volume 5, Article number: 54 (2020) (год публикации - 2020)
10.1038/s41535-020-00255-9
10.
Рыбкин А.Г., Рыбкина А.А., Тарасов А.В., Пудиков Д.А., Климовских И.И., ..., Естюнин Д.А., ..., Шикин А.М.
A new approach for synthesis of epitaxial nano-thin Pt5Gd alloy via intercalation underneath a graphene
Applied Surface Science, Volume 526, 146687 (год публикации - 2020)
10.1016/j.apsusc.2020.146687
11.
Шикин А.М., Естюнин Д.А., Климовских И.И., Фильнов С.О., ..., Отроков М.М., Еремеев С.В., Чулков Е.В.
Nature of the Dirac gap modulation and surface magnetic interaction in axion antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4
Scientific Reports, volume 10, Article number: 13226 (2020) (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-70089-9
12.
Естюнин Д., Климовских И.И., Шикин А.М., ..., Фильнов С., Алиев З., Бабанлы М., Чулков Е.В.
Signatures of temperature driven antiferromagnetic transition in the electronic structure of topological insulator MnBi2Te4
APL Materials, 8, 021105 (2020) (год публикации - 2020)
10.1063/1.5142846
13.
Фильнов С.О., Климовских И.И., Естюнин Д.А., ..., Рыбкин А.Г., ..., Шикин А.М., Чулков Е.В.
Probe-dependent Dirac-point gap in the gadolinium-doped thallium-based topological insulator TlBi0.9Gd0.1Se2
Physical Review B, 102, 085149 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevB.102.085149
14.
Рыбкина А.А., Рыбкин А.Г., Климовских И.И., Скирдков П.Н., Звездин К.А., Звездин А.К., Шикин А.М.
Advanced graphene recording device for spin–orbit torque magnetoresistive random access memory
Nanotechnology, 31, 165201 (2020) (год публикации - 2020)
10.1088/1361-6528/ab6470
15.
Шикин А.М.
Dirac Gap Opening and Modifying Mechanism in an Axion Antiferromagnetic Topological Insulator MnBi2Te4
Physics of the Solid State, volume 62, pages 1460–1468 (2020) (год публикации - 2020)
10.1134/S1063783420080302