Топологические полуметаллы с большим топологическим зарядом в условиях сверхпроводящего и ферромагнитного эффекта близости

Исследования топологических полуметаллов представляют собой одну из наиболее быстро развивающихся областей фундаментальных исследований в физике твёрдого тела. Топологические полуметаллы представляют собой системы с инверсией зон, в которых, в отличие от топологических изоляторов, валентная зона и зона проводимости касаются друг друга, что и обуславливает отсутствие энергетической щели в объёме образца. В дираковских полуметаллах, таких как Cd2As3, вблизи точек касания реализуется линейный (дираковский) спектр носителей. Для вейлевских полуметаллов, каждая дираковская точка разделяется на два вейлевских узла, характеризующихся определённой киральностью, в силу нарушения пространственной симметрии (например в WTe2) или симметрии по обращению времени в магнитных материалах (Co3Sn2S2). Соответственно, двумерные поверхностные состояния для вейлевских полуметаллов киральны, как и в режиме квантового эффекта Холла, и относятся к тому же классу симметрии, в то время как для дираковских полуметаллов наблюдаются геликоидальные поверхностные состояния, известные из исследований топологических изоляторов. Наряду со значительным количеством теоретических работ, широко проводятся экспериментальные исследования поверхностно-чувствительными методами (ARPES, STM), например, было показано существование поверхностных состояний типа длинных ферми-арок. В последнее время возник значительный теоретический и экспериментальный интерес к новому классу топологических полуметаллов — системам, где вейлевские фермионы несут топологический заряд С больший единицы. С принципиальной точки зрения, такие системы являются обобщением вейлевских полуметаллов, они реализуются, например, в киральных топологических полуметаллах, или киральных кристаллах (семейство CoSi, например) , и новых предсказанных материалах. В частности, ферроэлектрические кристаллы GeTe проявляют нетривиальную топологию зонной структуры в силу существования вейлевских фермионов второго типа. Кроме того, CeAlSi предсказан как новый ферромагнитный вейлевский полуметалл, где вейлевские узлы стабилизированы в силу нарушения пространственной симметрии, а их позиция определяется нарушением симметрии по обращению времени. Данный материал отличается нецентросимметричной решёткой, неколлинеарным ферромагнитным упорядочением, новой фазой аномального эффекта Холла и демонстрирует ферромагнитные домены крупного размера, что может быть важно для приложений и физических явлений, основанных на конкуренции между вейлевскими узлами и доменными стенками. Сложные магнитные текстуры так же предсказаны в магнитном топологическом полуметалле с узловой линией Fe3GeTe2. Большой топологический заряд был предсказан в двойных вейлевских полуметаллах типа HgCr2Se4 и SrSi2, где бесщелевой спектр демонстрирует квадратичнуый закон дисперсии в (кх,ку) плоскости, но линейный закон дисперсии в кz направлении. В данном проекте предлагается использовать опыт нашей группы в создании гибридных структур на основе вейлевских и дираковских топологических полуметаллов для исследования новых предсказанных топологических систем, таких как киральные кристаллы, магнитные и немагнитные полуметаллы с большим топологическим зарядом, магнитные топологические полуметаллы с узловой линией. Для получения таких образцов мы планируем использовать значительный опыт, полученный в ИФТТ РАН при росте различных топологических полуметаллов. Для гибридных структур со сверхпроводящими контактами основной задачей будет реализация и изучение режима наведённой сверхпроводимости в магнитных топологических полуметаллах, будет изучено возникновение триплетной сверхпроводимости и режима топологической сверхпроводимости в магнитном поле. Для гибридных структур с ферромагнитными контактами к топологическим полуметаллам будут исследованы эффекты памяти в транспорте через такие структуры, а так же будет получена информация о спиновой структуре поверхностных состояний и исследована возможность существования нетривиальных спиновых текстур и распространения спиновых волн. Поскольку многие из исследуемых систем являются ферроэлектриками, используя опыт создания и исследования гибридных систем, мы планируем реализовать возможность управлять ферроэлектрическими свойствами в предсказанных системах с большим топологическим зарядом (GeTe), что, в силу реализации при комнатной температуре, имеет не только фундаментальный, но и практический интерес в области сенсорики и разработки новых элементов памяти, в том числе, необходимых для реализации нейроморфных вычислений.