Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Методом ЛПЦВ изучены спин-зависимые электронные свойства и спиновая селективность проводимости в нанотрубках с винтовой симметрией. Разработана модель, согласно которой спиновые токи Iα ~ cατα и Iβ ~ cβτβ для электронов со спинами α и β пропорциональны концентрациям cα и cβ подвижных электронов с данным спином в материале и вероятностям τα и τβ туннелирования электронов сквозь хиральные потенциальные барьеры. Вероятность туннелирования (τ↑↑) больше при параллельной ориентации спина электрона и вектора хиральности S по сравнению с антипараллельной ориентацией (τ↑↓). Для оценки cα и cβ считается, что в переносе спинов доминируют электроны состояний, расположенных на краях валентной зоны и зоны проводимости. Определены свойства германиевых и кремниевых нанотрубок и гетероатомных полупроводниковых аналогов SiC, SiGe и BN, а также в металлических платиновых нанотрубках. Обнаружен отклик спиновой системы соединений на торсионные деформации. Выявлены нанотрубки, пригодные для селективного спинового транспорта с потенциально высокими потоками α- и β-электронов в противоположных направлениях. Даны рекомендации об использовании рассчитанных трубок в спинтронике и молекулярной электронике. Для Si и Ge нанотрубок с металлическим типом зонной структуры и вырожденными по спину состояниями на уровне Ферми обнаружены расщепления с образованием спиновых щелей под действием деформаций. Установлено, что все SiGe нанотрубки полупроводниковые с шириной запрещенной зоны около 0.35 эВ. Энергии спин-орбитальных щелей краёв зон для нехиральных нанотрубок равны несколько десятых, а для хиральных ‒ несколько мэВ. Предсказаны нанотрубки с высокой спин-зависимой проводимостью. Наиболее пригодна для этого нанотрубка SiGe (11, 3). Деформации нанотрубок меняют энергии спин-орбитальных щелей, что может найти применение в наноэлектромеханических элементах. В правовинтовых и левовинтовых энантиомерах направления спинов противоположны. Переход от SiGe к SiС нанотрубкам сопровождается ростом ширины запрещенной зоны до 2.26-3.15 эВ. Спин-орбитальные расщепления краев зоны лежат в диапазоне 0.05–3.5 мэВ. В ряду (n1, n2) SiС нанотрубок с n1 = 5, 7, 10 высокая индуцированная хиральностью спиновая селективность предсказана для соединений SiС (5, 3), (5, 4) (7, 5), (10, 9), (10, 7) и (10, 3) со спин-орбитальными расщеплениями около 1.0 мэВ и с параллельными ориентациями векторов хиральности и спина. В аналогичном ряду BN соединений оптические щели равны 3.6-4.6 эВ и спин-орбитальные расщепления зон 0,15‒0,004 мэВ. Спин-зависимые зонные структуры только одной BN нанотрубки (7, 1) допускают селективный спиновый транспорт электронов. Платиновые нанотрубки изучены как пример соединений с очень сильным спин-орбитальным взаимодействием. Для всех Pt трубок предсказан металлический характер зонной структуры с сильным перекрытием состояний валентной зоны и зоны проводимости. Числа точек пересечения дисперсионных кривых с уровнем Ферми большие (от 7 до 15), что должно приводить к высокой баллистической проводимости. Эффекты спин-орбитального расщепления дисперсионных кривых сильные, до 0,5 эВ. Благодаря большому различию плотностей спиновых состояний на уровне Ферми и сильному отклику Pt (5, 1) нанотрубки на деформационные моды, она представляется наиболее пригодной для применений в наноэлектронике и спинтронике.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
С помощью оригинального релятивистского симметризованного метода линеаризованных присоединенных цилиндрических волн изучено электронное строение, спин-зависимая проводимость и селективность электронного транспорта в хиральных нанотрубках и нанопроводах. Согласно этому методу, зонная структура соединений с цилиндрической геометрией определяется движением свободных электронов в цилиндрическом межатомном слое и их рассеянием на атомных сферах. Для определения спиновой проводимости и селективности материалов использована квантово-механическая модель туннелирования электронов сквозь хиральные потенциальные барьеры. Согласно модели, спиновые токи для электронов со спинами α и β пропорциональны концентрациям подвижных электронов с данными спинами на граничных состояниях материала, которые определялись из зонных расчётов, и вероятностям туннелирования электронов сквозь образованные наноматериалами потенциальные барьеры. Параллельная ориентация спина электрона граничных уровней зон и вектора хиральности материала благоприятствует спиновому транспорту по сравнению со случаем их антипараллельной ориентации. Выполненные на первом этапе проекта расчеты распространены на хиральные бинарные нанотрубки на основе тяжелых элементов третьей и пятой групп типа GaAs и GaN, серебряные нанотрубки, германиевые нанотрубки и хиральные одноатомные цепочки из атомов Те. Рассчитано более 50 правовинтовых и левовинтовых нанотрубок GaAs (n1, n2) с n1 = 5, 7, 10 и n1 ≥ n2 с огромными трансляционными ячейками (1084 атомов, например, в случае трубки (10,9) GaAs). Во всех нанотрубках GaAs и GaN зонная структура имеет вид восьми заполненных спин-зависимых дисперсионных кривых, отделенных щелью от зоны проводимости. Для GaAs нанотрубок оптические щели равны 1.22-1.85 эВ, а энергии спин-орбитальных расщеплений граничных состояний валентной зоны и зоны проводимости составляют 0.1-7.1 мэВ. Для GaN энергии запрещенной зоны равны 1.35-1.71 эВ, а релятивистские расщепления граничных уровней 0.85-12.6 мэВ. За исключением ориентации спинов, зонные структуры право- и левовинтовых нанотрубок неразличимы, но ориентации спинов противоположны, а потому преимущественные направления спиновых токов в энантиомерах ориентированы в противоположных направлениях. Предсказаны нанотрубки наиболее перспективные для генерации спиновых токов и их применения в спинтронике. Типичным положительным примером является нанотрубка (5,4) GaAs. В этом случае потолок валентной зоны расположен при двух значениях волнового вектора k = ±0,54 а.е.−1, а дно зоны проводимости — при k = 0. Электроны минимума зоны проводимости должны обладать низкой подвижностью, поскольку векторы импульса и скорости электронов равны нулю при k = 0. Иная ситуация возникает для потолка валентной зоны. Для правовинтовой трубки при k = 0,54 а.е.−1 верхний уровень соответствует α-, а нижний β-состоянию. Вследствие параллельной ориентации векторов спина α и хиральности трубки состояния пика валентной зоны обеспечивают транспорт α-электронов в направлении z > 0. Изменение знака волнового вектора k вызывает переворот спина, и в точке k = −0,54 а.е.−1 край валентной зоны образован уже электронами со спином β, что обеспечивает туннелирование β-электронов против винтовой оси. Таким образом, предсказано, что в правовинтовой нанотрубке (5, 4) должен доминировать транспорт α-электронов в направлении оси хиральности и β-электронов против этой оси, и выбором нанотрубок GaAs (5, 4) с разной хиральностью, можно обеспечить перенос электронов с противоположными спинами в противоположных направлениях. Иная картина наблюдается для трубки GaAs (5, 3), где в обоих энантиомерах граничные состояния образованы электронами со спинами, ориентированными против вектора хиральности материала, и реализуется случай низкой спиновой проводимости. В соединениях GaAs (7, 6) и (7, 3) дно зоны проводимости и верх валентной зоны расположены в центре зоны Бриллюэна, что исключает образование больших электронных и спиновых токов для этих материалов. В остальных хиральных трубках GaAs (7, n2) спины ориентированы против вектора хиральности, что также препятствует образованию спин-поляризованных токов. Для шести нанотрубок (10, n2) с n2 = 2, 4, 5, 7, 8 и 9 предсказан хороший спин-зависимый электронный транспорт. Максимальная энергия спин-орбитального расщепления верха валентной зоны, равная 4 мэВ, наблюдается в трубке (10, 2), которая с этой точки зрения представляется наиболее подходящей для спинтроники в этом ряду соединений. В ряду одностенных хиральных нанотрубок GaN (8, n2) высокая спиновая селективность и проводимость предсказаны для нанотрубок (8, 1) и (8, 2) с большими спин-орбитальными расщеплениями (более 10 мэВ) и параллельной ориентацией векторов спина и хиральности. Хиральные серебряные нанотрубки Ag (5,m) и Ag (10,m) обладают металлическим типом зонной структуры, и спин-орбитальное взаимодействие вызывает снятие вырождения зон в области уровня Ферми. Для нанотрубок Ag (5,m) малого радиуса и большей кривизны поверхности спин-орбитальное расщепление зон достигает 0.3 эВ, а для трубок Ag (10,m) оно около 0.1 эВ. Число баллистических каналов спинового транспорта приближенно равны 5+m и 10+m. Максимальная спиновая поляризация на уровне Ферми 0.04 состояний/эВ обнаружена для нанотрубки Ag (5,1) максимальной кривизны. С помощью торсионной деформации трубок можно регулировать спиновую поляризацию и даже менять направление спиновой поляризации. Хиральные Ag нанотрубки - перспективный материал для дизайна элементов наноспинтроники с высокой проводимостью, а также наносоленоидов и наноантенн. Для германиевых нанотрубок со структурой типа кресло расчетным путем обнаружены проявления эффекта Рашбы под действием механических торсионных деформаций, сопровождающихся расщеплением четырехкратно вырожденных спиновых состояний на уровне Ферми. Для хиральных одноатомных цепочек теллура предсказано формировании спиновых токов и высокой спиновой селективности проводимости.