Открыт первый трёхмерный аналог графена

Новый класс материалов не только должен быть проще и удобнее в массовом производстве, чем его двумерный «родственник», но и обладает рядом замечательных качеств, которых нет у графена, а потому может оказать решающее влияние на развитие электроники и спинтроники будущего.

Специалисты Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) обнаружили, что висмутат натрия может существовать в форме «квантовой материи» — трёхмерного топологического дираковского полуметалла (three-dimensional topological Dirac semi-metal, 3DTDS). При этом были получены первые экспериментальные свидетельства наличия трёхмерных дираковских фермионов в толще материала — феномена, сама возможность существования которого была лишь недавно предсказана теоретиками.

Состояние топологического дираковского полуметалла реализовано в критической точке фазового перехода от обычного диэлектрика к топологическом изолятору. (Иллюстрация LBL.)

«3DTDS — это естественный трёхмерный аналог графена, со сходной или даже лучшей подвижностью электронов и их скоростью, — говорит Юйлинь Чэнь (Yulin Chen), на момент открытия работавший в Национальной лаборатории Лоуренса. — Из-за присутствия трёхмерных дираковских фермионов в толще этого материала DTDS также имеет интригующую непредельную линейную магниторезистивность, которая может быть на порядки выше, чем в материалах, что используются сейчас в жёстких дисках. И это говорит о возможности создания более эффективных оптических сенсоров».

Считающиеся сверхперспективными графен и топологические изоляторы — материалы, являющиеся изоляторами в толще, но проводниками на поверхности, — обязаны интересом к ним в первую очередь своими двумерными безмассовыми дираковскими фермионами, по поведению напоминающими частицы, которые разогнаны до околосветовых скоростей, только в несколько сот раз меньше (порядка 1 000 км/с). В графене их эффект максимален, в то время как в топологических изоляторах они позволяют электронам вести себя «по-графеновски» только на поверхности.

«Быстрое развитие графена и топологических изоляторов породило вопросы о том, есть ли у них трёхмерные аналоги и существуют ли другие материалы с необычной топологией электронной структуры, — вспоминает предысторию исследования г-н Чэнь. — Наше открытие отвечает на оба эти вопроса. В висмутате натрия, который мы изучали, проводимость в толще и валентные зоны соприкасаются только в дискретных точках и рассеиваются линейно по всем трём направлениям момента, чтобы образовать в толще трёхмерные дираковские фермионы [аналог двумерных в графене]. Более того, топология электронной структуры 3DTSD [висмутата натрия] тоже уникальна, как и у топологических изоляторов».

При исследовании материала использовались методы широкоугольной фотоэмиссионной спектроскопии, при которой рентгеновские лучи, попадая на поверхность изучаемой структуры, вызывают фотоэмиссию электронов под такими углами и с такими кинетическими энергиями, которые могут быть измерены для получения детального электронного спектра.

На первый взгляд практические перспективы новооткрытого класса материалов выглядят ограниченными: висмутат натрия в нормальных условиях малостабилен, то есть устройства на его основе надо будет изолировать от внешних воздействий. Однако учёные уже ведут поиски других материалов (и почти наверняка среди них окажется арсенид кадмия), являющихся трёхмерными топологическими дираковскими полуметаллами, но при этом значительно более стабильных.

Что важно, уже сейчас понятно, что подобные висмутату натрия электронные структуры предлагают заметные преимущества перед графеном. «3DTDS-системы могут быть куда эффективнее графена во многих приложениях именно потому, что они трёхмерные, — поясняет Юйлинь Чэнь. — Кроме того, пока изготовление крупноразмерных графеновых плёнок, с их толщиной в один атом, остаётся проблемой. Устройства с графеновыми возможностями в ряде приложений будет легче сделать из 3DTDS-систем».

Наконец, в 3DTDS-материалах тоже наблюдается дираковская точка, состояние, при котором теория ферми-жидкости Ландау в её привычном виде не работает, зато работают «запрещаемые» ею многочастичные эффекты, связанные именно с взаимодействием электронов.

Установка для проведения широкоугольной фотоэмиссионной спектроскопии, при помощи которой были проанализированы необычные свойства висмутата натрия (фото Roy Kaltschmidt).

Множество свойств нового материала, включая гигантский диамагнетизм, квантовую магниторезистивность в толще, уникальную структуру уровней Ландау при воздействии сильных магнитных полей и др., указывает на его огромный потенциал в новых технологиях, касающихся перспективной электроники, равно как и на то, что 3DTDS-материалы будут идеальной платформой для спинтронных устройств.

По словам Юйлинь Чэня, электроны в подобных материалах будут иметь более сильную связь между своими электронными и магнитными параметрами. Их магнитными спинами можно будет манипулировать, прикладывая к ним электрическое поле, что сильно упростит управление состояниями спинтронных устройств, снижая энергозатраты на операции записи и чтения. Очень необычная магниторезистивность висмутата натрия указывает также на огромный потенциал его и его аналогов в области хранения огромных массивов данных на жёстких дисках будущих поколений.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.