Физики обнаружили необычное поведение фононов при нагревании
Физики выяснили, что при определенных температурах колебания кристаллической решетки в топологических изоляторах ведут себя не так, как предсказывает классическая теория. Это может помочь лучше понять свойства материалов для квантовой электроники.
Источник: Новости науки
МОСКВА, 1 сентября /Новости науки/. Физики ТГУ и других российских научных организаций обнаружили необычное поведение фононов в двух топологических изоляторах при нагревании. Об этом сообщили в Томском государственном университете.
«Мы обнаружили эффект, противоречащий классической ангармонической теории. Во-первых, несмотря на тепловое расширение кристалла, которое обычно ослабляет межатомные связи и снижает частоту колебаний, частота фононных мод в этом диапазоне температур возрастает. Во-вторых, ширина их спектральных линий при нагревании уменьшается, что свидетельствует об увеличении времени жизни фононов», — приводятся в сообщении слова доцента кафедры физики полупроводников физического факультета ТГУ Ниранджана Кумара, одного из авторов статьи.
Исследователи изучали фононы — кванты колебаний кристаллической решетки — в пленках теллурида висмута Bi₂Te₃ и материала BSTS на основе висмута, сурьмы, теллура и селена. Оба вещества относятся к топологическим изоляторам. Внутри такие материалы ведут себя как обычные изоляторы, однако их поверхность способна проводить электрический ток.
Рентгеновские исследования показали, что при нагревании кристаллическая решетка обоих материалов расширялась. Однако при температурах ниже температуры Дебая, около минус 120,15 градуса Цельсия, ученые обнаружили необычный эффект. Частота фононов при нагревании увеличивалась, хотя обычно ожидается ее снижение. Одновременно спектральные линии фононов становились уже, что указывает на увеличение времени их жизни.
Авторы работы связывают такое поведение с взаимодействием электронов и фононов. Определенную роль может играть и резонанс Фано — эффект, возникающий при взаимодействии фонона с электронными состояниями материала.
В теллуриде висмута Bi₂Te₃ заметной асимметрии спектральных линий исследователи не обнаружили. В BSTS она, напротив, наблюдалась и была наиболее выражена вблизи температуры Дебая. При дальнейшем повышении температуры этот квантовый эффект ослабевал, а все большую роль начинало играть обычное взаимодействие фононов друг с другом.
Полученные результаты помогают лучше понять, как температура влияет на свойства топологических изоляторов. Взаимодействие электронов с фононами приводит к обмену энергией и импульсом и может нарушать квантовую согласованность электронов. Это, в свою очередь, ограничивает время жизни носителей заряда.
«Понимание температурных порогов и механизмов электрон-фононных взаимодействий позволит найти способы контроля этих эффектов, что откроет путь к поддержанию топологической защиты поверхностных состояний при разработке спинтронных устройств (прим. — элементов спиновой памяти и логики), работающих в реальных тепловых условиях», — отметил Ниранджан Кумар.
Результаты исследования могут быть полезны при разработке электронных и квантовых устройств. В ТГУ среди возможных направлений применения таких материалов называют спиновые транзисторы, головки для жестких дисков и топологически защищенные кубиты.
Статья опубликована в журнале Surfaces and Interfaces. В исследовании участвовали специалисты ТГУ, Института физики полупроводников СО РАН, НИИ физики ЮФУ, Института металлургии УрО РАН и СПбГУ.
«Мы обнаружили эффект, противоречащий классической ангармонической теории. Во-первых, несмотря на тепловое расширение кристалла, которое обычно ослабляет межатомные связи и снижает частоту колебаний, частота фононных мод в этом диапазоне температур возрастает. Во-вторых, ширина их спектральных линий при нагревании уменьшается, что свидетельствует об увеличении времени жизни фононов», — приводятся в сообщении слова доцента кафедры физики полупроводников физического факультета ТГУ Ниранджана Кумара, одного из авторов статьи.
Исследователи изучали фононы — кванты колебаний кристаллической решетки — в пленках теллурида висмута Bi₂Te₃ и материала BSTS на основе висмута, сурьмы, теллура и селена. Оба вещества относятся к топологическим изоляторам. Внутри такие материалы ведут себя как обычные изоляторы, однако их поверхность способна проводить электрический ток.
Рентгеновские исследования показали, что при нагревании кристаллическая решетка обоих материалов расширялась. Однако при температурах ниже температуры Дебая, около минус 120,15 градуса Цельсия, ученые обнаружили необычный эффект. Частота фононов при нагревании увеличивалась, хотя обычно ожидается ее снижение. Одновременно спектральные линии фононов становились уже, что указывает на увеличение времени их жизни.
Авторы работы связывают такое поведение с взаимодействием электронов и фононов. Определенную роль может играть и резонанс Фано — эффект, возникающий при взаимодействии фонона с электронными состояниями материала.
В теллуриде висмута Bi₂Te₃ заметной асимметрии спектральных линий исследователи не обнаружили. В BSTS она, напротив, наблюдалась и была наиболее выражена вблизи температуры Дебая. При дальнейшем повышении температуры этот квантовый эффект ослабевал, а все большую роль начинало играть обычное взаимодействие фононов друг с другом.
Полученные результаты помогают лучше понять, как температура влияет на свойства топологических изоляторов. Взаимодействие электронов с фононами приводит к обмену энергией и импульсом и может нарушать квантовую согласованность электронов. Это, в свою очередь, ограничивает время жизни носителей заряда.
«Понимание температурных порогов и механизмов электрон-фононных взаимодействий позволит найти способы контроля этих эффектов, что откроет путь к поддержанию топологической защиты поверхностных состояний при разработке спинтронных устройств (прим. — элементов спиновой памяти и логики), работающих в реальных тепловых условиях», — отметил Ниранджан Кумар.
Результаты исследования могут быть полезны при разработке электронных и квантовых устройств. В ТГУ среди возможных направлений применения таких материалов называют спиновые транзисторы, головки для жестких дисков и топологически защищенные кубиты.
Статья опубликована в журнале Surfaces and Interfaces. В исследовании участвовали специалисты ТГУ, Института физики полупроводников СО РАН, НИИ физики ЮФУ, Института металлургии УрО РАН и СПбГУ.
