Исследователи из МФТИ и МГУ разработали технологию выращивания объёмных кристаллов магнитных топологических изоляторов — перспективных материалов для создания квантовых компьютеров и энергоэффективной электроники. Методика позволяет получать кристаллы размером в несколько сантиметров с повышенной чистотой и стабильностью. Работа опубликована в международном журнале Materials Chemistry and Physics.
Магнитные топологические изоляторы — уникальные материалы, которые проводят электрический ток только на своей поверхности, оставаясь изоляторами внутри. Эти свойства делают их идеальными кандидатами для создания квантовых процессоров и электроники нового поколения. Однако их широкому применению мешала фундаментальная проблема – инконгруэнтное плавление. Из-за него соединения распадаются на составляющие при нагреве, что делало невозможным выращивание крупных и качественных кристаллов традиционными методами.
Российские учёные предложили инновационное решение — метод выращивания в условиях трёхфазного равновесия. В отличие от традиционных подходов, где используется расплав строго определенного состава, новый метод поддерживает одновременное существование трёх фаз: растущего кристалла, расплава и твердого высокоплавкого компонента.
Рисунок 1 Ключевые стадии синтеза монокристалла: исходная порошковая таблетка, расплав и выращенный крупный кристалл. Длина масштабной линейки — 1 см. Источник: Materials Chemistry and Physics
«Нам удалось разработать новый метод синтеза, использующий двухфазный источник в установке типа Бриджмена — стандартном оборудовании для выращивания кристаллов. Это классический пример того, как глубокое понимание фазовых диаграмм позволяет решить сложнейшую прикладную задачу — выращивание крупных однородных монокристаллов. Получение кристаллов сантиметрового размера с широкими террасами на поверхности скола — это прямое свидетельство высочайшего структурного качества. Такой подход не только решает проблему для целого семейства теллуридов, но и может быть адаптирован для выращивания других сложных многокомпонентных соединений с узкой областью первичной кристаллизации», — рассказала Лада Яшина, ведущий научный сотрудник лаборатории фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ.
«Особенно впечатляет успешное применение метода к четверным системам, таким как (Ge,Mn)Bi2Te4 и Mn(Bi,In)2Te4, где контроль стехиометрии традиционно крайне сложен. Продемонстрированный контроль над эффективным коэффициентом сегрегации и однородностью распределения катионов в твердом растворе открывает путь к направленному синтезу материалов с заданными электронными и магнитными характеристиками», — поясняет Александр Фролов, заведующий лабораторией фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ.
По словам учёных, созданная технология открывает путь к созданию материалов с программируемыми свойствами, позволяя точно контролировать состав кристаллов, что критически важно для управления их магнитными и электронными характеристиками.
«Предложенный метод выращивания кристаллов в условиях перитектики позволяет получать массивные, высококачественные образцы магнитных топологических изоляторов, таких как MnBi2Te4, которые ранее были доступны лишь в виде тонких пленок или мелких кристаллов. Высокое структурное совершенство полученных кристаллов, подтверждённое данными ARPES и STM, открывает дорогу к детальным исследованиям квантовых аномальных и квантовых спиновых эффектов Холла в объёмном материале. Возможность управлять составом твёрдых растворов и, следовательно, положением уровня Ферми и магнитными свойствами, делает эту платформу идеальной для поиска новых экзотических квантовых состояний, таких как аксионный изолятор», — прокомментировал Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.
Разработка имеет стратегическое значение для развития квантовых технологий в России. Качественные кристаллы магнитных топологических изоляторов необходимы для создания стабильных кубитов — базовых элементов квантовых компьютеров, а также для разработки энергоэффективной электроники и устройств спинтроники.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.
