Физики нашли новый фазовый переход в топологических изоляторах

Ученые обнаружили квантовый фазовый переход между двумя топологическими фазами вещества. Одной из фаз присущи сегнетоэлектрические свойства, то есть для нее характерна спонтанная электрическая поляризация даже в отсутствии внешнего поля. Работа, выполненная сотрудниками Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца, опубликована в журнале Nature Communications.

Физики изучали кристаллические полупроводниковые пленки из сплава свинца, олова и селена (PbSnSe), которые были допированы небольшим количеством висмута. Данное вещество относится к классу относительно новых и активно изучаемых топологических изоляторов, которые проводят ток по поверхности, но в объеме остаются изоляторами. Введение 1—2% висмута позволило наблюдать новый фазовый переход в сегнетоэлектрическое состояние. В нем внешнее электрическое поле искажает кристаллическую решетку, а механическое напряжение приводит к появлению электрического поля.

Включение висмута в изучаемые пленки играло роль возмущения: количество валентных электронов висмута не соотносится с периодическим расположением атомов в кристаллической решетке PbSnSe. «Крохотные изменения в атомной структуре приводят к появлению удивительных свойств в материалах этого класса», — поясняет один из соавторов Джайми Санчес-Баррига.

Последовавший за измерениями на синхротроне детальный анализ показал, что допирование висмутом приводит к сегнетоэлектрическому искажению в решетке, что также изменяет доступные электронные уровни энергии. «Потенциальные применения могут появиться благодаря сегнетоэлектрической фазе, причем они могут быть совершенно непредсказуемыми, — комментирует соавтор Оливер Радер. — Электрическая проводимость без потерь в топологических изоляторах может быть выключена, если приложить к ним механическое напряжение или облучить электрическими импульсами».