Электронные свойства магнитных топологических изоляторов

Магнитные топологические изоляторы в сочетании с наведенной в них сверхпроводимостью привлекают все больше внимания современных исследователей. Интерес к такому типу материалов вызван необычной конфигурацией зонной структуры, обладающей топологически защищенными поверхностными состояниями описываемыми дираковским законом дисперсии, а также дополнительным присутствием спонтанной намагниченности, которая приводит к нарушению симметрии обращения времени и появлению магнитной обменной щели дираковского конуса. Впервые этот эффект был обнаружен в эпитаксиальных тонких пленках (Bi,Sb)2Te3, допированных хромом [Cui-Zu Chang et al., Science 340, 167-170 (2013)]. Оптимальные условия получения устойчивого квантования холловской проводимости заключаются в нахождении уровня Ферми внутри магнитной щели, и достаточное его удаление от валентной зоны. В работе [Arakane, T et al., Nat. Commun. 3:636 (2012)] показано, что варьируя состав в четырехкомпонентном материале Bi(2-x)SbxTe(3-y)Sey, можно поднять точку Дирака вверх по энергии, тем самым увеличив расстояние до валентной зоны. Допирование железом материала BiSbTe2Se [Y. Rikizo et al., Condens. Matter 4, 9 (2019)] продемонстрировало успешное индуцирование ферромагнитного порядка. В данном проекте предлагается детальное изучение топологических изоляторов состава Bi2Te2Se (BTS) и BiSbTe2Se (BSTS), допированных железом (FM-TI), которые получены нами в рамках коллаборации с группой Satoshi Kashiwaya, Япония. Ряд теоретических результатов предполагает, что киральный топологический сверхпроводник на основе FM-TI может быть источником одномерных майорановских фермионных мод, поскольку киральное холловское состояние может быть достигнуто без сильных внешних магнитных полей (около 0.1 Т) при сохранении сверхпроводимости. Мы предлагаем исследовать устройства с наведенной сверхпроводимостью в контексте изучения сосуществования сверхпроводимости и нетривиальных топологических состояний. Для этого будут использованы два подхода: исследование спектров электронных состояний FM-TI с использованием сверхвысоковакуумного низкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа (JT-SPM производства SPECS), а также электронно-транспортные измерения структур сверхпроводник/FM-TI/сверхпроводник в криостате растворения (LD250 производства BlueFors) в диапазоне температур 20 мК - 10 К, в том числе в магнитном поле до 9 Т. Такой комплексный подход позволит изучить спектры элементарных возбуждений в зависимости от зонной структуры FM-TI, ток-фазовые соотношения сверхпроводящих устройств, магнитные характеристики, в том числе аномальный эффект Холла. Результаты работы будут опубликованы в высокорейтинговых журналах и приблизят к экспериментальному подтверждению существования майорановских мод.