Ученые обнаружили новые свойства в материалах на основе сурьмы

13:42, 19 октября 2023

Они подойдут для новых квантовых устройств

Топологические материалы обладают свойствами, перспективными для микроэлектроники. Фото: unsplash / Adi Goldstein.

Ученые УрФУ и УрО РАН обнаружили, что новые соединения на основе сурьмы и гадолиния обладают разнообразными свойствами — от полуметаллических и полупроводниковых до металлических. Кроме того, у некоторых из соединений есть топологические особенности, которые часто выражаются в гигантском магнитосопротивлении и аномальных электронных характеристиках. Эти материалы могут быть использованы для создания квантовых транзисторов, детекторов, диодов и др. Результаты исследования опубликованы в International Journal of Molecular Sciences. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-42-02021).

«Насколько нам известно, ранее не проводились систематические исследования электронных свойств соединений на основе сурьмы и гадолиния, однако они обладают рядом привлекательных свойств для применения в оптоэлектронных приложениях. Например, полуметаллический характер проводимости сурьмы и редкоземельных металлов связан с малой концентрацией носителей тока в этих соединениях. А топологические особенности проявляются в аномальных свойствах материалов. В практическом плане эти соединения интересны для создания магниточувствительных элементов датчиков различного назначения или, например, фотогальванических или фотоэлектрических устройств», — объясняет сотрудник лаборатории электронного и ядерного резонанса УрФУ, заведующий лабораторией оптики металлов Института физики металлов им. М. Н. Михеева УрО РАН Алексей Лукоянов.

Топологические полуметаллы являются перспективными элементами будущих квантовых устройств. Они относятся к классу топологических материалов, так как обладают нестандартными электронными состояниями и физическими свойствами, благодаря строению их электронной структуры. В отличие от обычных полуметаллов, которые проводят электричество как при низких температурах, чем схожи с металлами, так и при высоких, в топологических материалах могут наблюдаться отклонения от стандартного поведения транспортных свойств.

«Исследованные нами интерметаллические соединения на основе сурьмы и гадолиния обладают как полуметаллическими, так и полупроводниковыми или металлическими свойствами. В последнем случае для изученного соединения получены высокие значения спиновой поляризации — это значит, что такое вещество способно проводить спиновый ток, который необходим для создания квантовых устройств, а также устройств для записи и хранения данных. Однако для этого предстоит провести большой объем фундаментальных и прикладных работ», — добавляет Алексей Лукоянов.

Ученые проводили исследование физических свойств соединений на основе сурьмы и гадолиния при помощи теоретических первопринципных расчетов. Такой подход к моделированию структуры и свойств материалов широко используется в разных областях моделирования материалов и позволяет говорить о высокой точности результатов.

Справка

Топологические материалы обладают необычными электронными свойствами, которые обеспечиваются фундаментальными законами сохранения. Примеры таких веществ — топологические изоляторы. Их название связано с тем, что они изолируют изнутри и проводят снаружи: на внешних границах топологического изолятора электричество или (в некоторых случаях) свет легко проходят по углам и дефектам и практически без потерь. Это обеспечивается топологией электронных состояний. В 2016 году Дэвид Таулесc из Университета Вашингтона, Данкан Халдейн из Принстона и Майкл Костерлиц из Университета Брауна были награждены Нобелевской премией за исследования в этой области. Ученые разработали продвинутые математические методы для описания необычных фаз и свойств материи, таких как сверхпроводники, сверхтекучие жидкости и магнитные пленки. В последние годы это направление привлекло значительный интерес различных групп исследователей, было открыто несколько сотен подобных веществ.

Топологические полуметаллы находятся между металлами и полупроводниками с точки зрения таких свойств, как их способность проводить электричество или тепло. Эти материалы также могут обладать экстраординарными свойствами, такими как практически не рассеиваемый электрический ток и способность преобразовывать больше света в электричество, чем любой другой материал, что указывает на широкий спектр потенциальных применений, таких как электроника сверхнизкой мощности и выработка электроэнергии из отработанного тепла.

Сурьма применяется в полупроводниковой промышленности при производстве диодов, инфракрасных детекторов, устройств с эффектом Холла, широко используется в соединениях микроэлектроники и разнообразной технике для получения требуемых свойств материалов.

Сергей Лукьянченко