Механизм возникновения необычного сочетания магнитных свойств в монокристаллах полуметаллов Вейля, которые могут применяться при создании электронных устройств и квантовых компьютеров, исследовали российские и тайваньские ученые, 26 мая сообщает пресс-служба Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ).

Полуметаллами называются химические элементы, занимающие по своим электрическим свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками. Они обладают нетривиальной топологией электронных зон, под которой понимается характеристика объектов с точки зрения их преобразования под действием непрерывной деформации, в частности, связности отдельных элементов.

Так, шар и бублик (тор) принадлежат разным топологическим классам: любые две точки шара можно соединить между собой отрезком, не выходя за его пределы, чего нельзя сделать для тора.

А полуметаллы Вейля — это особое состояние кристаллического вещества, характеризующиеся необычным состоянием электронов. Особенности полуметаллов Вейля были описаны в ХХ веке, однако экспериментально это состояние, потенциально перспективное для создания инновационной микроэлектроники, еще мало изучено.

Сложившуюся ситуацию решил исправить научный коллектив, в который вошли российские ученые из СПбГУ, Кубанского госуниверситета, Института физики металлов им. М. Н. Михеева УрО РАН, а также тайваньские — из Национального университета Ченг Кунг.

Результаты проделанной работы ученые представили в статье «Магнитные исследования вероятного полуметалла Вейля WTe₂, легированного железом», опубликованной в журнале Condensed Matter.

Науке известно, что легирование полуметаллов Вейля парамагнитными ионами может создавать в этих материалах зависящее от вида и концентрации примесей магнитное упорядочение, которое серьезно изменяет свойства полуметаллов. В некоторых случаях такое легирование приводит к сосуществованию в одном кристалле различных типов магнитного порядка.

При возникновении внутреннего магнитного поля в кристаллах можно наблюдать явления, не свойственные чистым полуметаллам Вейля, такие как аномальный квантовый эффект Холла. Но механизмы и причины возникновения необычных свойств еще недостаточно изучены.

Ученые СПбГУ поняли, как появляются эти свойства, изучив легирование полуметалла Вейля ионами железа. Профессор кафедры физики твердого тела СПбГУ Елена Чарная рассказала о проведенном исследовании:

«Мы провели детальные магнитные измерения и выявили эволюцию магнитного упорядочения с изменением концентрации примесей. Хотя доминирующим видом магнитного порядка является ферромагнетизм, в данном случае проявляются также и обратные, антиферромагнитные свойства и пространственно-модулированные структуры. Это в первую очередь связано с неоднородным распределением ионов железа по объему кристалла и сложной природой магнитной связи ионов».

Еще одним открытием физиков стало явление метамагнетизма, вызываемое подвижными носителями заряда в полуметаллах Вейля. Такой зонный метамагнетизм характеризуется в материалах с металлической проводимостью резким увеличением намагниченности при приложении внешнего магнитного поля.

Это редкое явление, в отличие от хорошо известной переориентации спинов магнитным полем в антиферромагнетиках, и для полуметаллов Вейля возможность появления метамагнетизма была установлена впервые.

Результаты исследования важны не только с фундаментальной, но и с прикладной точки зрения. Они помогут лучше понять свойства и механизмы получения перспективных материалов, какими являются полуметаллы Вейля, для их последующего использования при создании новых устройств спинтроники, которые, в частности, позволят управлять транспортом с помощью магнитного поля.