Загадка от гексаборида самария

Физикам из России и Украины удалось впервые зарегистрировать магнитный резонанс в кристалле гексаборида самария — топологического изолятора, перспективного для спиновой электроники. Удивительно, что магнитные центры, определяющие магнитный отклик этого соединения, спонтанно возникают только при температурах ниже пяти градусов Кельвина (-268⁰С), причем поведение материала напоминает классические ферромагнитные металлы — железо, никель и кобальт. Работа ученых из Московского физико-технического института, Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, ВШЭ и и Института проблем материаловедения им. И. Н.Францевича НАНУ опубликована в Scientific Reports.

Профессор кафедры лазерных систем и структурированных материалов МФТИ Сергей Демишев рассказывает: «Нам впервые удалось разработать экспериментальную методику микроволновых измерений именно поверхностного слоя гексаборида самария и определить характер поверхностной проводимости. Высокая чувствительность нашей установки позволила обнаружить сигнал электронного парамагнитного резонанса, обусловленного магнитными центрами на поверхности образца».

Топологические изоляторы и необычные свойства гексаборида самария

Топологические изоляторы представляют собой новый класс квантовых материалов с особым состоянием поверхности. Внутри такой материал является изолятором (полупроводником), однако его поверхность обладает металлической проводимостью, то есть хорошо проводит электрический ток. Металлическое состояние топологического изолятора является весьма необычным, поскольку энергия электронов на поверхности линейно зависит от импульса, что характерно для безмассовых частиц — например, квантов света (фотонов) или электронов в графене. Кроме того, поверхностные электронные состояния топологически защищены, то есть не могут быть разрушены структурными дефектами или немагнитными примесями. Сочетание таких необычных свойств делает топологические изоляторы очень перспективными материалами для спиновой электроники. А один из самых интересных топологических изоляторов — это гексаборид самария SmB₆.

При комнатной температуре гексаборид самария с хорошей точностью можно считать металлом, свои необычные свойства он проявляет при понижении температуры. Ниже температуры 50 K (–223 ⁰С) гексаборид самария превращается в полупроводник со сравнительно узкой запрещенной зоной шириной двадцать миллиэлектронвольт (в обычных полупроводниках ширина запрещенной зоны в сотни раз больше). Чем шире запрещенная зона и чем ниже температура, тем меньше в полупроводнике свободных электронов и тем хуже он проводит ток. Однако при приближении к абсолютному нулю температур (–273,16 ⁰С) удельное сопротивление гексаборида самария постепенно перестает зависеть от температуры (рисунок №2). Коэффициент Зеебека, определяемый отношением термоэлектрического напряжения к разнице температур между горячим и холодным концами образца, стремится к нулю. Резкое изменение свойств гексаборида самария наблюдается при температуре порядка пяти градусов Кельвина. Такое поведение нетипично ни для металлов, ни для обычных полупроводников.

Теоретические модели

В настоящее время физики уверены, что необычное поведение SmB₆ определяют поверхностные свойства материала. Несмотря на то, что в объеме образца свободных носителей заряда нет, электрический ток течет по его поверхности благодаря особым электронам, спин которых жестко связан (скоррелирован) с направлением движения. Эта связь возникает из-за особенностей электронной структуры топологических изоляторов. Сильно коррелированные топологические изоляторы, к числу которых относится гексаборид самария, отличаются от «обычных» топологических изоляторов сильным взаимодействием между электронами различных оболочек, возникающих за счет их квантового перемешивания (флуктуирующей валентности). Такие материалы называют кондо-изоляторами в честь японского физика Дзюна Кондо. Тем не менее, независимо от силы связи поверхностные состояния существуют при всех температурах, но их вклад становится заметен только при уменьшении внутренней (объемной) проводимости материала.

Доказать существование топологических состояний достаточно просто: поверхностные электроны устойчивы к немагнитным дефектам поверхности и «разрушаются» магнитными примесями. До сих пор считалось, что в гексабориде самария без примесей магнитные центры отсутствуют. Группа ученых под руководством Сергея Демишева и Владимира Глушкова, профессоров МФТИ, решила проверить эту гипотезу в серии экспериментов по исследованию проводимости и эффекта Холла на постоянном токе и магнитного резонанса на частоте 60 ГГц. Чтобы отличить объемные эффекты от поверхностных, ученые сравнивали результаты измерений для образцов с разной обработкой поверхности — один из них был отполирован до зеркального блеска, а другой подвергнут химическому травлению.

Проводимость и эффект Холла

Для начала физики измерили проводимость (величину, обратную сопротивлению) образцов при постоянном электрическом токе и различных температурах, однако ничего принципиально нового не обнаружили. Каждый образец можно рассматривать как параллельно соединенные сопротивления внутреннего объема (RV) и поверхности (RS), так что полная проводимость образца разбивается на сумму проводимостей его частей (1/R = 1/RV + 1/RS). При этом объемная проводимость обоих образцов должна вести себя одинаково, а поверхностная — по-разному, что позволяет разделить вклады различной природы. Действительно, при температурах более 5 К преобладают объемные эффекты, и потому сопротивление обоих образцов одинаково росло с понижением температуры (рисунок №2). Ниже пяти градусов Кельвина рост удельного сопротивления образцов резко замедлялся из-за перехода к проводимости по поверхностным состояниям, причем больший вклад в проводимость давала полированная поверхность.

Аналогичное поведение показали и измерения эффекта Холла, который связан с возникновением поперечной разности потенциалов в проводнике с постоянным током, помещённом во внешнее магнитное поле. Поскольку величина коэффициента Холла обратно пропорциональна концентрации электронов проводимости, данные рисунок №2 показали, что травление уменьшает концентрацию дефектов на поверхности. Однако в обоих случаях «металличность» поверхностного слоя гексаборида самария сохранялась.

Неожиданные находки

Результаты же измерений микроволновой проводимости оказались неожиданными. Чтобы определить эту величину, учёные возбуждали в небольшой полости в объеме материала (резонаторе) электромагнитные колебания с частотой 60 ГГц и измеряли долю энергии, поглощенной образцом. Из-за высокой проводимости поверхности поле проникало недостаточно глубоко внутрь образца, и объемное поглощение оказывалось пренебрежимо малым. Так, при температуре около 4 К в объеме поглощалось менее двух процентов микроволновой энергии, в результате чего «работал» только тонкий поверхностный слой. Несмотря на то, что зеркальная поверхность поглощала энергию сильнее травленой, в обоих случаях «металлическое» поведение поверхностного слоя сохранялось, причем в отличие от измерений на постоянном токе микроволновая проводимость поверхности SmB6 с понижением температуры росла (вставка на рисунок №2). Такое «классическое» поведение проводимости характерно для традиционных металлов и ранее для гексаборида самария не наблюдалось.

Однако наибольший сюрприз преподнесли результаты измерений микроволнового поглощения в магнитном поле (рисунок №4а). И для травленой, и для полированной поверхностей сигнал парамагнитного резонанса наблюдался исключительно при температурах ниже 5 К, причем его амплитуда увеличивалась при понижении температуры по критическому закону, характерному для магнитных переходов в ферромагнетиках с критической температурой T^~ 5 K(рисунок №5). Такую зависимость нельзя объяснить обычными магнитными примесями, «грязью» в образце, поскольку в этом случае сигнал магнитного резонанса должен быть наблюдаем и при температурах, значительно превышающих критическую.

Профессор кафедры лазерных систем и структурированных материалов МФТИ Владимир Глушков говорит: «Если не знать, что мы наблюдаем магнитный резонанс, связанный с поверхностью топологического изолятора, то любой специалист по физике магнитных явлений скажет, что это низкотемпературный магнитный переход в ферромагнетике. Однако ферромагнетик — это концентрированная магнитная система, а по нашим оценкам доля магнитных центров в гексабориде самария не превышает нескольких сотых процента от числа ионов самария. Наблюдаемый переход в разбавленной магнитной системе — весьма необычный «твердый орешек» для теоретического объяснения».

Другим важным следствием наличия магнитных центров в гексабориде самария является нарушение симметрии обращения времени. Магнитные примеси нарушают эквивалентность между стрелами времени, направленными из прошлого в будущее и из будущего в прошлое, которая имеет место в рассеянии на обычных немагнитных примесях. Именно эта симметрия «топологически защищает» металлические состояния на поверхности топологических изоляторов, поэтому нельзя исключить, что гексаборид самария обладает встроенным механизмом подавления топологических эффектов на своей поверхности при низких температурах. Как работает такой механизм в гексабориде самария, предстоит выяснить в дальнейших экспериментах.