Физики создали тонкие плёнки, объединяющие топологические изоляторы и сегнетоэлектрические свойства

Вид кристаллической решётки топологического изолятора, обнаруженного исследователями RIKEN (синие сферы: атомы теллура; красные сферы: атомы олова, свинца и индия). Автор: RIKEN Center for Emergent Matter Science

Физики из японского института RIKEN создали первые тонкие плёнки, обладающие особой комбинацией электрических и топологических свойств. Это достижение может помочь в реализации новых форм электроники с высокой энергоэффективностью.

Интригующие эффекты могут возникать в материалах с электронами, обладающими необычной зонной структурой. «Электроны ведут себя как волны в твёрдых телах, а взаимосвязь между их энергией и импульсом описывается зонными структурами», — поясняет Рютаро Ёсими, приглашённый учёный из Центра науки о возникающих состояниях материи RIKEN. «В некоторых материалах различные электронные зоны могут пересекаться и иметь одинаковую энергию».

Такое пересечение зон фундаментально изменяет свойства электронных волн, приводя к различным emergent-явлениям. «Например, электроны могут испытывать воздействие фиктивного магнитного поля, которое может быть невероятно сильным — иногда до 100 раз больше полей, создаваемых обычными катушками», — говорит Ёсими.

Использование таких emergent-явлений может привести к практическим применениям. «Если мы научимся контролировать и создавать эти мощные возникающие эффекты, это может привести к разработке высокоэффективной электроники», — отмечает Ёсими.

Необычные зонные структуры порождают особый класс материалов, известных как топологические изоляторы. Их поверхности могут проводить электричество, но внутренняя часть является изолятором. Топологические изоляторы вызывают большой интерес благодаря своим необычным свойствам.

Теперь Ёсими и его коллеги создали тонкие плёнки, которые являются топологическими изоляторами и проявляют сегнетоэлектричество — это означает, что они содержат крошечные электрические диполи с положительными и отрицательными концами. Их исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

«Это достижение представляет собой реализацию новой фазы материи, объединяющей две ключевые концепции физики твёрдого тела: топологию и сегнетоэлектричество», — отмечает Ёсими.

Такая комбинация полезна с практической точки зрения, поскольку даёт инженерам удобный способ изменять топологические свойства материала.

«Топология материала обычно устойчива и её трудно изменить внешними воздействиями, тогда как сегнетоэлектричество можно легко контролировать с помощью внешнего электрического поля», — объясняет Ёсими. «Связав эти два свойства, мы открыли новый путь для управления топологическими состояниями на поверхности материала».

Именно это команда Ёсими планирует исследовать дальше.

«Наша следующая цель — приложить электрическое поле к устройству и продемонстрировать, что мы можем изменять количество активных состояний Дирака на поверхности», — говорит учёный. «Это позволит нам внешне контролировать электрическую проводимость и спиновую поляризацию материала, что станет крупным шагом к созданию функциональных устройств на основе этого нового состояния материи».

Больше информации: Ryutaro Yoshimi et al, Emergence of Ferroelectric Topological Insulator as Verified by Quantum Hall Effect of Surface States in (Sn,Pb,In)Te Films, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.176602. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2411.17263

Источник: RIKEN