Загадки гексаборида самария

Илл.: МФТИ

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 учёных 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, кратко о ней рассказывается в пресс-релизе МФТИ.

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 0C) гексаборид самария превращается в полупроводник со сравнительно узкой запрещённой зоной шириной двадцать миллиэлектронвольт (в обычных полупроводниках ширина запрещённой зоны в сотни раз больше). Чем шире запрещённая 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 0C) удельное сопротивление гексаборида самария постепенно перестаёт зависеть от температуры (рис.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.

Рисунок 1. Кристаллическая решетка гексаборида самария, атомная структура поверхности, свойства которой изучались в экспериментах по магнитному резонансу. Дизайнер — Lion_on_helium, пресс-служба МФТИ

Теоретические модели

В настоящее время физики уверены, что необычное поведение SmB6 определяют поверхностные свойства материала. Несмотря на то, что в объёме образца свободных носителей заряда нет, электрический ток течёт по его поверхности благодаря особым электронам, спин которых жёстко 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 (объёмной) 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 учёных 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, учёные 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 (рис.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.

Рисунок 2. Удельное сопротивление (линии) и коэффициент Холла (точки) монокристаллов SmB6 с зеркально обработанной (S1) и травленой (S2) поверхностями. На вставке удельное сопротивление на постоянном токе (DC) сопоставляется с обратной микроволновой проводимостью (MW). Изображение Сергей Демишев и др. Scientific Reports

Аналогичное поведение показали и измерения эффекта Холла, который связан с возникновением поперечной разности потенциалов в проводнике с постоянным током, помещенном во внешнее магнитное поле. Поскольку величина коэффициента Холла обратно пропорциональна концентрации электронов проводимости, данные рис.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, ученые 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 рис.2). Такое «классическое» поведение проводимости характерно для традиционных металлов и ранее для гексаборида самария не наблюдалось.

Рисунок 3. Схема резонатора для измерения магнитного резонанса на частоте 60 ГГц. Синим прямоугольником показан монокристалл гексаборида самария, стрелка соответствует кристаллографическому направлению [110] образца. Стрелками вверху показаны направления потока микроволнового излучения в подводящих волноводах. TE011 обозначает моду электромагнитного поля в резонаторе, на которой велись измерения. Длинная стрелка показывает направление магнитного поля. Дизайнер: Lion_on_helium, пресс-служба МФТИ по рисунку авторов статьи

Однако наибольший сюрприз преподнесли результаты измерений микроволнового поглощения в магнитном поле (рис.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 (Pис. 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.

Рисунок 4. (a) Зависимость поглощенного излучения от магнитной индукции и температуры образца: при температуре менее пяти кельвинов наблюдается резкое увеличение поглощенной энергии за счет магнитного резонанса. (b) Сравнение доли поглощенного излучения для образцов с разными поверхностями. Изображение Сергей Демишев и др. Scientific Reports

Рисунок 5. Температурная зависимость интегральной интенсивности магнитного резонанса в SmB6. Сплошной красной линией показана зависимость I(T)~(T *-T )ν с показателем степени ν=0,37 и критической температурой T *=5,34 K. Изображение Сергей Демишев и др. Scientific Reports

Говорит профессор кафедры лазерных систем и структурированных материалов МФТИ Владимир Глушков: «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.