Селенид ртути как представитель полуметаллов Вейля – самых экзотических проводников 21 века

 © А.Т. Лончаков

Во второй декаде 21 века в физике конденсированного состояния произошло важное событие. В 2015г. сначала были предсказаны теоретически и в этом же году обнаружены экспериментально полуметаллы Вейля – системы с линейным (дираковским) законом дисперсии как в объеме кристалла (вблизи так называемых узлов Вейля), так и на его поверхности (так называемые Ферми-арки). После этого началось такое бурное исследование этих новых топологических материалов в ведущих научных центрах США, Китая, Германии, Великобритании и других стран, что теперь уже можно утверждать – на смену непродолжительной эре топологических изоляторов пришла гораздо более длительная эра полуметаллов Вейля. Оказалось, что они обладают такими уникальными магнитотранспортными, оптическими, термоэлектрическими свойствами, которые должны обеспечить в перспективе их широкое использование в области квантовых компьютерных и лазерных технологий, спинтроники, новых элементов памяти. Например, было установлено, что поперечное магнитосопротивление (когда магнитное поле перпендикулярно направлению электрического тока) в полуметаллах Вейля увеличивается в десятки и даже сотни тысяч раз без какой-либо тенденции к насыщению. В то же время продольное магнитосопротивление (когда магнитное поле параллельно направлению электрического тока) уменьшается на десятки процентов, демонстрируя уникальный эффект отрицательного магнитосопротивления. Такая удивительная (не связанная с анизотропией!) метаморфоза магнитосопротивления в полуметаллах Вейля объясняется киральной аномалией – возникновением в параллельном магнитном поле дополнительного (кирального) тока между узлами Вейля с противоположной киральностью, который добавляется к обычному току, приводя тем самым к увеличению проводимости.

Несмотря на значительное число открытых за короткий срок полуметаллов Вейля разного типа, на повестке дня современной физики конденсированного состояния остро стоит проблема поиска, инженерии и исследования новых соединений этого топологического класса.  Причем для полуметаллов Вейля без центра пространственной инверсии желательно иметь минимальное число пар узлов Вейля разного типа, чтобы интерпретация особенностей магнитотранспортных и других свойств не наталкивалась на трудности, обусловленные наличием на поверхности Ферми как электронных, так и дырочных карманов.

В 2016г. группой сотрудников лаборатории полупроводников и полуметаллов ИФМ УрО РАН в составе А.Т.Лончакова, С.Б.Бобина и В.В.Дерюшкина была выдвинута гипотеза о возможной принадлежности классического бесщелевого полупроводника HgSe при низкой концентрации электронов к семейству полуметаллов Вейля. Основанием для такой неожиданной гипотезы служило отсутствие центра пространственной инверсии в сочетании с сильным спин-орбитальным взаимодействием в данном материале. В этом же году в престижном журнале Nature Communication вышла теоретическая работа Руана с соавторами, в которой бесщелевые материалы класса HgTe и HgSe рассматривались именно как «идеальные» полуметаллы Вейля с четырьмя парами узлов.

Первые измерения магнитотранспортных эффектов с целью проверки топологической гипотезы были выполнены в упомянутой группе исследователей на образце HgSe c низкой концентрацией электронов 2.5·1016 см-3. Выбор объекта исследования с достаточно малой энергией Ферми был неслучаен, поскольку в физике конденсированного состояния фермионы Вейля являются существенно низкоэнергетическими квазичастичными возбуждениями. В результате исследования продольного и поперечного магнитосопротивления на этом образце были выявлены особенности, описанные выше для полуметаллов Вейля. Это позволило дополнить при низких энергиях известный бесщелевой спектр HgSe дираковским спектром фермионов Вейля. Полученные результаты были опубликованы авторами в феврале 2018г. в престижном журнале Applied Physics Letters. На втором этапе исследования существование фазы полуметалла Вейля в HgSe было подтверждено путем анализа параметров электронного спектра (эффективная масса), рассеяния (электронная подвижность) и фазы квантовых осцилляций магнитосопротивления. Исследования проводились в беспрецедентно широком для HgSe интервале электронных концентраций от 8.8·1015 до 5·1018 см-3. В результате при концентрации ≈ 2·1018 см-3 был обнаружен скачок фазы Берри, которая является индикатором наличия в спектре узлов Вейля, от близкого к π нетривиального значения до нуля. Тем самым в HgSe был открыт электронный топологический переход Лифшица. По величине концентрации перехода сделана оценка ключевого параметра – расстояния между узлами Вейля с противоположной киральностью ~ 0.1 Å-1. Необходимо подчеркнуть приоритетность этого результата, поскольку переход Лифшица путем изменения энергии Ферми в полуметаллах Вейля ранее не наблюдался. Результаты второго этапа исследований несомненно вызвали интерес у специалистов в области физики конденсированного состояния, о чем свидетельствует их публикация в профильном журнале Journal Physics: Condensed Matter в начале 2019г.

Помимо магнитосопротивления, содержащего информацию о ряде электронных параметров, в полуметаллах Вейля в рамках современных представлений нетривиальными свойствами должен обладать эффект Холла. Важно подчеркнуть, что для выявления особенностей эффекта Холла принципиально важное значение приобретает использование селенида ртути, как модельного («идеального») полуметалла Вейля с отсутствующим центром инверсии. Поэтому в настоящее время в группе топологических полуметаллов лаборатории полупроводников и полуметаллов ИФМ УрО РАН проводится активное экспериментальное исследование квантового топологического эффекта Холла в HgSe, обусловленного инвариантной относительно обращения времени спиновой кривизной Берри. Получены оригинальные результаты, свидетельствующие об открытии в HgSe внутреннего квантового спинового эффекта Холла.

Таким образом, селенид ртути, вызвавший интерес исследователей в 20 веке как представитель нового класса веществ – бесщелевых полупроводников, не утратил своего фундаментального и прикладного значения и в 21 веке, но уже как представитель другого нового класса веществ – топологических полуметаллов Вейля.

Краткая формула