Ученый из Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН вместе с иностранными коллегами исследовал один из физических механизмов, ответственных за «неидеальную» проводимость двумерных топологических изоляторов. Это материалы толщиной в несколько десятков атомных слоев, имеющих одномерные проводящие каналы на поверхности, но при этом являющиеся изоляторами.

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Двумерные топологические изоляторы были теоретически предсказаны больше 10 лет назад. Самый известный из них — полупроводниковая гетероструктура из теллурида кадмия и теллурида ртути. По своей структуре он похож на торт «Наполеон»: слой теллурида кадмия, потом слой теллурида ртути, затем снова слой теллурида кадмия и так далее. По поверхности топологического изолятора может протекать электрический ток (в случае двумерного топологического изолятора — по краю), а в глубине он не проводит электрический ток.

Ранее у двумерных топологических изоляторов проводили измерение электрического транспорта вдоль края поверхности. Эти измерения показали расхождения с предсказаниями теории. В новой работе международная группа ученых попыталась найти причину этой «неидеальности».

«Одна из гипотез связывает расхождение теоретического и экспериментального значения с наличием магнитных примесей. Слово «магнитные» в данном случае означает, что у примесных атомов есть магнитный момент – фактически тот же спин. Когда краевой электрон подлетает к атому примеси, он начинает обменным образом с ним взаимодействовать и может перевернуть не только импульс, но и спин – и, соответственно, поменять направление движения. Это значит, что такие отраженные назад электроны не будут вносить вклад в электрический ток, и в результате измеренное нами значение кондактанса (отношение протекшего тока к разности потенциалов) будет меньше ожидаемого», — объясняет один из соавторов работы, доктор физико-математических наук, заместитель директора ИТФ РАН Игорь Бурмистров.

Чтобы лучше понять, как рассеяние на магнитной примеси с «нестандартным» обменным взаимодействием влияет на электрический ток, авторы новой работы решили рассмотреть вопрос о влиянии магнитных примесей на дробовой шум — случайные флуктуации электрического тока относительно среднего значения, обусловленные дискретностью носителей электрического заряда.

«Мы стали изучать, что происходит, если спин магнитной примеси больше минимально возможного спина 1/2 — учитывая, что, например, у иона марганца в этих материалах спин должен быть 5/2. И оказалось, что спин 1/2 — это очень выделенный случай, — рассказывает Игорь Бурмистров. — А во всех остальных случаях ситуация меняется. Снизу фактор Фано (коэффициент, пропорциональный заряду носителей) всегда оказывается больше единицы. А вот его значение сверху не ограничено: оно зависит от того, как устроено обменное взаимодействие. Для значения спина 1/2 фактор Фано, действительно, не может быть больше двух. Для всех остальных значений спина можно найти такой вид обменного взаимодействия, что фактор Фано будет сколь угодно большим».

Как поясняет Бурмистров, большое значение фактора Фано физически соответствует тому, что электроны на магнитной примеси начинают отражаться назад группами.

Специфическая зависимость фактора Фано от значения спина дает потенциальную возможность различить, какая именно это магнитная примесь. Работа показала, что спин атомов влияет на свойства электрического тока в топологическом изоляторе, так что информацию о магнитном состоянии примесного атома можно получить, измерив изменение тока во времени при помощи вольтметра.