ИСТИНА

В последнее время значительное внимание уделяется исследованию топологических изоляторов – кристаллов с полупроводниковым (или диэлектрическим) типом зонной структуры в объеме и металлическим типом проводимости приповерхностного слоя. Интерес к топологическим изоляторам обусловлен, в частности, тем обстоятельством, что энергетических спектр квазичастиц в поверхностном слое топологического изолятора является бесщелевым с линейным законом дисперсии и, таким образом, существенно отличается от спектра частиц в полупроводнике. Основной целью данного проекта является экспериментальное исследование особенностей роста и электронной структуры металлических наноостровков и ультратонких пленок переходных металлов (Nb, Mo, Fe, Ni, Co и др.), осажденных на монокристаллических поверхностях с топологически защищенными квазичастичными состояниями. В данном проекте в качестве топологических изоляторов будут использоваться кристаллы типа Bi2Se3 и Bi2Te3, а также атомарно-чистые поверхности типа Sb(111). Будет развита методика восстановления электронной структуры кристаллов по результатам исследования интерференционных явлений на поверхности топологических изоляторов вблизи дефектов. Это позволит в дальнейшем исследовать влияние адсорбированных атомов и кластеров на электронную структуру топологических изоляторов. Мы планируем исследовать влияние электронной структуры топологических изоляторов на сверхпроводящие и ферромагнитные свойства металлических островков переходных металлов, осажденных на поверхности топологических изоляторов. Экспериментальная и технологическая часть проекта будет выполнена силами сотрудников Института физики микроструктур РАН (ИФМ РАН, Н.Новгород), Института физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН, Черноголовка), Московского физико-технического института (МФТИ, Москва) и Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. (МГУ, Москва).

Основной целью проекта является экспериментальное исследование электронных свойств твердотельных островковых наноструктур и ультратонких металлических пленок на монокристаллических поверхностях, обладающих нетривиальными электронными состояниями (в частности, топологические изоляторы), методами низкотемпературной сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Для достижения этой цели планируется решить следующие задачи 1. Восстановить особенности энергетической структуры топологических изоляторов типа Bi2Se3, Bi2Te3, твердых растворов Bi2SexTe3-x и BixSb1-x по результатам исследования интерференционных явления, обусловленных осцилляциями электронной плотности (Фриделя), на поверхности топологического изолятора вблизи дефектов. 2. Изучить особенности роста металлических островковых наноструктур (Nb, Mo, Fe, Ni, Co и др.) на поверхности топологических изоляторов типа , Bi2Te3, твердых растворов Bi2SexTe3-x и BixSb1-x. 3. Исследовать локальные электронные свойства островковых наноструктур на основе переходных металлов (Nb, Mo, Fe, Ni, Co и др.), выращенных на поверхности топологических изоляторов, при низких температурах методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии.

Участники проекта имеют значительный опыт проведения исследований электронных свойств твердотельных структур методами низкотемпературной сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии [1-10]. Получены различные соизмеримые и несоизмеримые структуры с различной критической температурой перехода из нормального в сверхпроводящее состояние. Показано, что сверхпроводящая щель в несоизмеримой полосчатой структуре в целом описывается в рамках теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Были изучены особенности роста нанокластеров Fe на подложках Ge(001) и MoO2/Mo(110) [3]. Исследована фотолюминесценция топологического изолятора Bi2Te3, выращенного на кристаллической поверхности ZnO [4]. Обнаружено, что ультрафиолетовое излучение пленок ZnO на поверхности Bi2Te3 возрастает, что свидетельствует в пользу существования поверхностного плазмона и эффективного фотонного спаривания на интерфейсе ZnO/ Bi2Te3. Изучены особенности роста островков Pb на чистых вицинальных поверхностях Si(557) [5]. Впервые изучено пространственное распределение "минищели" в слое нормального металла (Cu), находящегося в контакте со сверхпроводником (Nb). Впервые было исследовано поведение индуцированного в нормальном металле кора вихря Абрикосова в зависимости от толщины слоя нормального металла и внешнего магнитного поля. Оказалось, что размер индуцированного вихря равен толщине пленки меди, что значительно больше вихря в ниобии, и расходится при увеличении ее толщины. Теоретически и экспериментально исследована адсорбция атомов магнитных металлов (Co, Cr и др.) на поверхности Ge(111) [8,9]. Для визуализации спиновой поляризации электронов в системах ферромагнетик/полупроводник и ферромагнетик/нормальный металл с атомным пространственным разрешением авторы использовали методику сверхвысоковакуумного спин-поляризованного транспорта электронов между магнитным СТМ острием и магнитными атомами поверхности.

В ходе первого года усилия коллектива будут направлены на решение следующих вспомогательных задач: 1. Отработка технологии подготовки поверхности топологических изоляторов типа Bi2Se3 и Bi2Te3 путем скола в условиях сверхвысокого вакуума для последующего исследования методами низкотемпературной сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. 2. Восстановление особенностей энергетического спектра топологических изоляторов по результатам комбинированных туннельных топографическо-спектроскопических измерений. Изучение влияния поверхностных дефектов на локальные спектральные свойства топологических изоляторов. Предварительные результаты, полученные участниками заявляемого проекта (Столяровым, Божко и Аладышкиным), свидетельствуют о том, что отрыв липкой ленты (скотча), наклеенной на поверхность слоистого материала Bi2Se3, во время загрузки образца действительно позволяет получить чистую поверхность, пригодную для дальнейших исследований методами СТМ/СТС. Для восстановления локальных особенностей энергетического спектра топологических изоляторов будут проводиться измерения локальной дифференциальной проводимости туннельного перехода как функции координат и напряжения смещения. Работы будут проводиться параллельно на нескольких экспериментальных установках: в Институте физики микроструктур РАН (Аладышкин, Путилов, Уставщиков, Ромашкин), в Институте физики твердого тела РАН (Божко, Столяров), в Московском физико-техническом институте (Столяров), на физическом факультете Московского государственного университета (Музыченко). Это позволит выполнить большой объем измерительной работы в сжатые сроки. Интерпретация результатов измерений и численное моделирование в помощью метода функционала плотности будет выполнено Музыченко, Уставщиковым и Копасовым. Для осуществления тесного взаимодействия между участниками проекта, обсуждения результатов и проведения дополнительных измерений запланированы многочисленные поездки, в частности, поездки Аладышкина, Путилова и Уставщикова из Нижнего Новгорода в Москву и Черноголовку, поездки Музыченко, Столярова и Божко из Москвы в Нижний Новгород. Предполагаемая общая сумма транспортных расходов и расходов на проживание составит 200 000 руб. Все доступное участникам заявляемого проекта оборудование исправно и не требует дополнительных расходов для начала работы. Предполагаемые расходы на приобретение материалов и комплектующих для проведения научного исследования: 1. Жидкий гелий: Жидкий гелий (40 литров) в сосуде Дьюара СТГ-40: 30250 руб. Доставка: 900 руб. Итого: 31150 х 10 = 311 500 руб (400 литров) 2. Жидкий азот: 34.33 руб./л Итого: 34.33 х 4000 = 137 320 руб. (4000 литров). 2017: В ходе второго года усилия коллектива будут направлены на решение следующих задач: 1. Отработка технологии термического осаждения атомов переходных металлов (Nb, Mo, Fe, Ni, Co) и формирования на подготовленной поверхности топологических изоляторов единичных осажденных атомов, наноразмерных островковых структур. Изучение влияния температуры подложки на типы формирующихся металлических структур. 2. Исследование электронных свойств сформированных на поверхности топологических изоляторов металлических кластеров и островковых структур методами низкотемпературной сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Поиск условий, при которых наноразмерные островки будут обладать сверхпроводящими свойствами. 2018: В ходе третьего года усилия коллектива будут направлены на продолжение исследований электронных свойств сформированных на поверхности топологических изоляторов металлических кластеров и островковых структур методами низкотемпературной сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Участники проекта допускают, что в ходе решения поставленных задач в 2016 и 2017 годах возникнут новые вопросы и задачи, требующие решения.