Транспорт заряда и спина в полярных металлах с сильным спин-орбитальным взаимодействием

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 23-22-00142

НазваниеТранспорт заряда и спина в полярных металлах с сильным спин-орбитальным взаимодействием

Руководитель Орлова Надежда Николаевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук , Московская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова полярные металлы, полупроводники, топологические полуметаллы, электронный транспорт, ван-дер-ваальсовы структуры

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на исследование переноса заряда и спина в полярных металлах. В последнее время эффекты нарушения симметрии в твёрдом теле привлекают особенное внимание благодаря исследованиям в области топологических полуметаллов. В частности, в Вейлевских полуметаллах существенно нарушение пространственной симметрии инверсии или симметрии по обращению времени. Оба варианта широко исследуются в системах с нарушением пространственной инверсии и в системах с ферромагнитным упорядочением, соответственно. С другой стороны, материалы с нарушением инверсии известны тем, что демонстрируют ферроэлектрическое упорядочение. Недавно ферроэлектрическая поляризация была экспериментально обнаружена в вейлевском полуметалле WTe2, обладающем значительной объёмной проводимостью в силу бесщелевого спектра. Обычно ферроэлектрические свойства рассматривались для диэлектриков, однако демонстрация ферроэлектричества в WTe2 доказала реализуемость теоретической концепции полярного металла. Использование полярных металлов открывает новую область исследований ферроэлектрических систем, когда электроны проводимости испытывают влияние встроенной электрической поляризации, и, с другой стороны, возможно обратное влияние, например, за счёт движения стенок ферроэлектрических доменов в поле протекающего тока. Большинство недавно открытых полярных металлов WTe2, SnSe, SnTe, In2Se3 имеют слоистую структуру, чем и объясняется сосуществования спонтанной ферроэлектрической поляризации и значительной (металлической при комнатной температуре) проводимости. Например, WTe2 характеризуется значительной проводимостью внутри каждого слоя, в то время как перераспределение электрического заряда между слоями подавлено, что и обеспечивает возможность иметь поле спонтанной ферроэлектрической поляризации, направленное перпендикулярно к проводящим слоям. В силу слоистой структуры, эти материалы могут быть получены в виде тонких пленок (флейков), т.е. пригодны для изготовления двумерных и тонкоплёночных структур с помощью различных методов эксфолиации. Следует отметить, что проводящие ферроэлектрические материалы часто характеризуются наличием спин-орбительного взаимодействия, в силу нарушения пространственной симметрии. Среди этих материалов GeTe и InSe представляют особенный интерес благодаря доказанному гигантскому спин-орбитальному расщеплению, что так же важно и для задач спинтроники. В рамках проекта будут проведены исследования транспортных свойств проводящих тонкоплёночных МОП- структур на основе полярных металлов, в частности, проводящих систем с ферроэлектрической поляризацией и сильным спин-орбитальным взаимодействием, эффектов на интерфейсах в таких структурах. Использование тонких плёнок слоистых материалов позволяет реализовывать в том числе сложные многослойные структуры и гибридные системы с различной конфигурацией и типом металлических электродов, используя стандартные методы полупроводникового процессинга. Будут проведены исследования эффектов ферроэлектрической поляризации на транспортные свойства таких систем, получена информация о связи эффектов ферроэлектрического упорядочения и термо ЭДС в таких сложных структурах. Последнее важно в том числе и для потенциальных применений в сенсорах, в то время как создание МОП-структур на основе проводящих ферроэлектриках важно для разработки новых типов памяти, в том числе для задач нейроморфных вычислений. Использование проводящих ферроэлектриков с гигантским спин-орбитальным взаимодействием (α-GeTe, InSe) в комбинации с ферромагнитными электродами позволит связать эти задачи с задачами спинтроники. В частности, планируется изучить взаимосвязь спонтанной электрической и спиновой поляризаций в таких структурах с помощью исследования аномального эффекта Холла в таких системах и их сопоставление с данными прямых магнетометрических измерений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Орлова Н.Н., Тимонина А.В., Колесников Н.Н., Девятов Э.В. Gate-Dependent Nonlinear Hall Effect at Room Temperature in Topological Semimetal GeTe Chinese Physics Letters, Chinese Physics Letters 40, 077302 (2023) (год публикации - 2023)
10.1088/0256-307X/40/7/077302

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
По результатам как первого года работы, так и литературного поиска, выигрышным представляется прямое исследование магнитного отклика тонких монокристаллических флейков топологического полуметалла GeTe, в котором сочетаются объёмная проводимость, ферроэлектрическая поляризация и гигантское (рекордное) взаимодействие Рашбы, что позволяет рассматривать GeTe как представителя не только полярных металлов, но и нового класса материалов – Рашба-ферроэлектрика. В силу наличия поверхностных состояний и тройных точек в объёмном спектре, GeTe характеризуется наличием поверхностных и объёмных спиновых текстур, что должно давать вклад в полный магнитный отклик монокристалла. Мы прежде всего отработали методику на примере широкозонных систем, таких как слоистый монокристалл NiI2, где конечная проводимость не маскирует наблюдаемые эффекты. Мы исследовали магнитный отклик тонких флейков NiI2 при температурах выше 80К. Поскольку для объёмного NiI2 не ожидается магнитного упорядочения, мы подтвердили наличие чисто парамагнитного сигнала для больших монокристаллов NiI2. Однако, тонкие флейки NiI2 демонстрируют хорошо развитые петли ферромагнитного гистерезиса в полях ±2 кЭ. При этом, для тонких флейков, значение намагниченности не коррелирует с массой образца, ферромагнитный гистерезис наблюдается при любых ориентациях флейка относительно внешнего магнитного поля. Таким образом, наблюдаемый ферромагнитный отклик связан с поверхностью NiI2 в силу, по всей видимости, анизотропного обмена (взаимодействие Китаева). При этом обнаруженный в тонких флейках ферромагнетизм слабо чувствителен к температуре от 80К и вплоть до комнатной температуры. В условиях, когда тонкий флейк NiI2 многократно подвергался воздействию атмосферы при нормальных условиях, ферромагнитный гистерезис сопровождается периодической модуляцией намагниченности на экспериментальных кривых, что обычно является признаком мультиферроика. Хотя NiI2 не должен бы рассматриваться как мультиферроик выше 80 К, помещение тонких флейков NiI2 в атмосферу с конечной влажностью вызывает модификацию поверхности в связи с формированием кристаллогидрата. Такая модификация поверхности снижает симметрию поверхностных слоёв NiI2, что приводит к возможности ферроэлектрической поляризации поверхностных слоёв в добавление к рассмотренному выше ферромагнитному упорядочению. Мы исследовали магнитный отклик тонких флейков топологического полуметалла GeTe. В дополнение к известному решёточному диамагнитному отклику, мы обнаружили узкую петлю гистерезиса намагниченности в слабых магнитных полях, чего не должно было бы наблюдаться для немагнитного в объёме GeTe. Обнаруженная петля гистерезиса в диамагнитном отклике является необычной, а именно уровень насыщения соответствует отрицательному магнитному моменту в положительных полях и наоборот, так что обход петли соответствует направлению по часовой стрелке, в противоположность стандартному ферромагнитному поведению гистерезиса. Мы продемонстрировали, что наши экспериментальные кривые не могут быть получены из кривых стандартного ферромагнитного гистерезиса добавлением или вычитанием любой линейной кривой, или даже предположением о наличии нескольких взаимодействующих магнитных фаз. Последний случай так же исключен напрямую при помощи техники графиков остаточной намагниченности ( remanence plots technique, Henkel or δM plots). Таким образом, обнаруженные зависимости не могут быть результатом чисто магнитного упорядочения поверхностных состояний в GeTe, но являются результатом корреляции между ферроэлектрической поляризацией в GeTe и спиновой поляризацией топологических поверхностных состояний, подобно искусственно созданным магнетоэлектрическим структурам. http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/r/index/r/165/4/p536?a=list https://journals.rcsi.science/0370-274X/article/view/261307

Публикации

1. А.А. Авакянц, Н.Н. Орлова, А.В. Тимонина, Н.Н. Колесников, Э.В. Девятов Surface Spin Polarization in the Magnetic Response of GeTe Rashba Ferroelectric JETP Letters, JETP Letters, 2024, Vol. 119, No. 8, pp. 625–632 (год публикации - 2024)
10.1134/S0021364024600605

2. Н.Н. Орлова, А.А. Авакянц, А.В. Тимонина, Н.Н. Колесников, Э.В. Девятов Ferromagnetic response of thin NiI2 flakes up to room temperatures Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, ЖЭТФ, 2024, том 165, вып.4, стр. 536–543 DOI: 10.31857/S0044451024040084 (год публикации - 2024)
10.31857/S0044451024040084

Возможность практического использования результатов
Поскольку все представленные результаты получены при сравнительно высоких температурах (для нелинейного эффекта Холла — при комнатной), а основной материал исследования — монокристаллический GeTe может быть получен послойным ростом (atomic layer deposition) на стандартных кремниевых подложках, результаты проекта имеют потенциал для практического применения. В частности, демонстрация сигнала нелинейного эффекта Холла на нулевой гармонике может быть использована для создания управляемых полем затвора детекторов высокочастотных сигналов, работающих при комнатной температуре. Кроме того, , использование проводящих ферроэлектриков с гигантским спин-орбитальным взаимодействием в комбинации с ферромагнитными электродами может быть важно в связи с задачами спинтроники, хотя это, по всей видимости, более отдалённая перспектива.