Исследование планарного магнитотранспорта в халькогенидах ртути с низкой электронной плотностью и твердых растворах на их основе

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 25-22-00592

НазваниеИсследование планарного магнитотранспорта в халькогенидах ртути с низкой электронной плотностью и твердых растворах на их основе

Руководитель Лончаков Александр Трофимович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №118 - Конкурс на получение грантов РНФ по мероприятию «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка проведения научных исследований и развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенных областях науки»

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

Ключевые слова Халькогениды ртути, полуметалл Вейля, планарный эффект Холла, поперечное и продольное магнитосопротивление, киральная аномалия, фаза Берри, электронный спектр, твердый раствор

Код ГРНТИ29.19.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Мотивацией для написания данного проекта явилось открытие его авторами в 2023 году в ультрачистом образце HgSe гигантского планарного эффекта Холла (ПЭХ). Это открытие включало в себя наблюдение планарного холловского сопротивления (ПХС) и планарного магнитосопротивления (ПМС) с амплитудой, на порядки превышающей их амплитуду в других материалах. К ним относятся: системы с анизотропией орбитального магнитосопротивления, магнитной анизотропией, а также материалы с нетривиальной топологией (полуметаллы Дирака и Вейля), в которых ПЭХ является следствием присущей им киральной аномалии. Последнее представляется особенно важным, поскольку к моменту открытия гигантского ПЭХ в HgSe авторами проекта были получены экспериментальные данные, свидетельствующие о наличии в HgSe наряду с тривиальной бесщелевой фазой, электронной топологической фазы полуметалла Вейля. Поэтому открытие ПЭХ в HgSe, обусловленного киральной аномалией, было принципиально важным для подтверждения нетривиальной топологической природы селенида ртути. Следует подчеркнуть, что в топологических материалах планарные гальваномагнитные эффекты являются пока еще мало изученными магнитотранспортными эффектами. Поэтому тематика их исследования в этих соединениях является новой, а значит содержит в себе потенциал не только фундаментальной, но и прикладной направленности. Всестороннее экспериментальное исследование планарных магнитотранспортных эффектов в халькогенидах ртути с привлечением оригинальных идей и новых подходов составляет основное содержание проекта. В силу топологической специфики этих соединений исследование необходимо соизмерять с двумя ключевыми признаками полуметалла Вейля – киральным магнитным эффектом и нетривиальной фазой Берри. С учетом сказанного новаторской является идея выявления гигантского ПЭХ и кирального магнитного эффекта в теллуриде ртути n- типа с низкой электронной концентрацией, близкого к HgSe по своим физическим параметрам и электронному спектру. При этом особое внимание будет уделено оценке времени междолинного рассеяния в n- HgTe и сравнению его с транспортным временем релаксации. Важным элементом новизны проекта является изучение специфики ПХС в халькогенидах ртути в квантующем магнитном поле. В данном случае речь может идти о наблюдении осцилляций ПХС. Для этого предполагается измерить магнитополевую зависимость ПХС и ПМС в образцах HgSe с концентрацией электронов ≈ (3 – 5) ×10^16 см^-3 и провести Фурье-анализ полученных осцилляций. Также новым направлением является выявление специфики ПЭХ в экстремальных условиях квантового предела. Отсутствие теории ПЭХ для квантового предела является дополнительной мотивацией для такого рода исследований. Очевидно, что для этого случая наиболее подходящими могли бы стать образцы HgSe и n- HgTe с достаточно низкой концентрацией электронов, чтобы достичь квантового предела в доступном магнитном поле. Также в проекте впервые планируется исследовать ПЭХ, киральный магнитный эффект и фазу Берри в условиях коренной перестройки электронного спектра HgSe. Для этого планируется использовать твердый раствор Hg1-xZnxSe с 0 ≤ х ≤ 0.2. Из литературы известно, что увеличение содержания Zn выше ≈ 7 ат.% приводит к открытию прямой щели в электронном спектре в центре зоны Бриллюэна (переходу «бесщелевой полупроводник – полупроводник»). Предполагается, что при этом должна произойти аннигиляция узлов Вейля, которую можно будет наблюдать как по исчезновению ПЭХ и кирального магнитного эффекта в Hg1-xZnxSe, так и по превращению нетривиальной (равной π) фазы Берри в тривиальную (равную нулю). Следует также иметь ввиду, что кроме чисто фундаментального интереса гигантский ПЭХ может найти практическое применение. Например, в проекте предполагается развить идею об одновременном использовании генерируемых в ПЭХ поперечной и продольной разности потенциалов при разработке чувствительного датчика угла поворота. Также на использовании гигантского ПЭХ может быть основано действие чувствительного сенсора планарной компоненты магнитного поля.

Ожидаемые результаты
1. Выявление в n- HgTe с предельно низкой (~ 10^15 cм^-3) плотностью электронов (или ультрачистом HgTe) кирального магнитного эффекта и проверка необходимого условия его наблюдения: время междолинной релаксации много больше транспортного времени релаксации электронов. 2. Обнаружение при низких температурах гигантского планарного эффекта Холла и планарного магнитосопротивления в ультрачистом монокристалле n- HgTe, что имело бы принципиальное значение для обоснования наличия в электронном спектре теллурида ртути нетривиальной топологической фазы полуметалла Вейля. 3. Выявление в халькогенидах ртути (HgSe, n- HgTe) предсказанной теорией для полуметаллов Вейля квадратичной зависимости амплитуды планарного эффекта Холла от магнитного поля в области низких (до ≈ 2Тл) магнитных полей, чтобы обосновать киральную аномалию как главную причину гигантского планарного эффекта Холла в этих немагнитных и изотропных системах. 4. Обнаружение в HgSe с концентрацией электронов ≈ (3 – 5) ×10^16 см-3 осцилляций Шубникова-де-Гааза планарного холловского сопротивления и изучение их специфики. 5. Выявление в халькогенидах ртути значительного роста амплитуды планарного эффекта Холла в квантовом пределе по сравнению с амплитудой в классическом магнитном поле на фоне возможных искажений его угловой зависимости. 6. Наблюдение исчезновения планарного эффекта Холла и нетривиальной фазы Берри в твердом растворе Hg1-xZnxSe, вызванного переходом «бесщелевой полупроводник – полупроводник» при увеличении содержания Zn выше ≈ 7 ат.%, что могло бы свидетельствовать об аннигиляции узлов Вейля, связанной с перестройкой электронного спектра.