Физики впервые создали квантовый материал, предсказанный более десяти лет назад

Долгожданный квантовый материал наконец-то стал реальностью, приближая ученых к созданию практичных квантовых устройств, работающих при комнатной температуре. Credit: Shutterstock

Физики из Университета Ювяскюля и Университета Аалто (Финляндия) впервые успешно создали двумерный топологический кристаллический изолятор. Это первая экспериментальная реализация квантового материала, существование которого ученые предсказывали более десяти лет. До сих пор попытки его получить сдерживались трудностями в разработке подходящих материалов.

Прорыв был осуществлен под руководством доцента Кэзилбейка Шавульену в сотрудничестве с исследователями из Университета Аалто, включая профессора Петера Лилерота и профессора Хосе Ладо. Команда создала материал, вырастив атомарно тонкую пленку, состоящую всего из двух слоев теллурида олова (SnTe) на подложке из диселенида ниобия (NbSe₂).

Атомарно тонкий кристалл раскрывает уникальные квантовые состояния

Для изучения свойств материала исследователи использовали молекулярно-лучевую эпитаксию в сочетании с низкотемпературной сканирующей туннельной микроскопией, что позволило им исследовать его электронное поведение с точностью до атомного уровня.

Их измерения выявили пары проводящих краевых состояний — определяющую характеристику топологических кристаллических изоляторов. Эти особые пути позволяют электронам перемещаться вдоль краев материала и защищены симметрией кристаллической решетки.

Деформация управляет квантовыми свойствами материала

Проводящие краевые состояния появляются в пределах большой электронной запрещенной зоны, превышающей 0,2 электронвольта (эВ). Команда обнаружила, что пленка теллурида олова сжимается подложкой, создавая деформацию, которая необходима для стабилизации топологического состояния материала.

Что еще более важно, исследователи продемонстрировали, что эти краевые состояния можно регулировать, изменяя деформацию, что открывает практический способ настройки электронного поведения материала для будущих технологий.

Потенциал для будущей квантовой электроники

Квантово-механические расчеты из первых принципов подтвердили, что наблюдаемые краевые состояния имеют топологическое происхождение. Команда также изучила, как взаимодействуют соседние краевые состояния, и обнаружила, что их энергетические уровни смещаются из-за комбинации электростатических взаимодействий и квантового туннелирования.

Поскольку материал имеет относительно большую запрещенную зону, ожидается, что его топологические свойства останутся стабильными даже при комнатной температуре. Это делает его многообещающей платформой для исследования двумерных топологических состояний, управляемых деформацией, и может способствовать будущим достижениям в спинтронике и устройствах наноразмерного масштаба.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Ювяскюля.

Liwei Jing, Mohammad Amini, Adolfo O. Fumega, Orlando J. Silveira, Jose L. Lado, Peter Liljeroth, Shawulienu Kezilebieke. Strain-induced two-dimensional topological crystalline insulator in bilayer SnTe. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-67520-y