В январе в международном научном журнале «Nature Communications» вышла статья «Пространственное распределение спина и глубокие топологические состояния в гомологической серии топологических изоляторов». Публикация в таком престижном издании – нерядовое событие. Среди 21 автора этой статьи пятеро – сотрудники лаборатории «Физика наноструктурных поверхностей и покрытий» ТГУ.

Полный цикл
Уже второй год продолжается работа по проекту в рамках программы Правительства РФ для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования. Итоги предыдущего года таковы: в ТГУ создана лаборатория мирового уровня, защищены две кандидатские диссертации, опубликовано 17 статей в ведущих российских и мировых журналах, таких как «Письма в ЖЭТФ», «Physical Review Letters», «Physical Review» и других. Более десяти человек прошли зарубежные стажировки и 18 побывали на конференциях в Японии, США, Европе, на Тайване, а также в Санкт-Петербурге и Нижнем Новгороде.
– Но главное, – считает руководитель проекта профессор университета Страны Басков Евгений Чулков, – сформирован профессиональный коллектив, уже работающий на очень высоком уровне. Причем важно, что мы вовлекли в работу нашей лаборатории и другие научные группы, не являющиеся участниками проекта. Это коллективы из разных стран, и в каждой – высочайшие профессионалы в своей области. Например, в работе, результаты которой были опубликованы в «Nature Communications», участвовало 6 научных групп – из Швейцарии, Германии, Испании, Азербайджана и России. Также мы сотрудничаем с Институтом физики полупроводников СО РАН в Новосибирске, с Курчатовским институтом, с Дальневосточным университетом, с университетом Орхуса в Дании и университетом Вюрцбурга в Германии. В планах – сотрудничество еще с рядом научных учреждений.
Такая «кооперация» позволила выполнить действительно масштабную комплексную работу по созданию и изучению сложных топологических изоляторов, разные направления которой выполнялись разными группами. Томские ученые совместно с коллегами из Халле (Германия) проводили теоретические расчеты для создания изоляторов, экспериментаторы из Баку уже выращивали кристаллы предсказанных материалов, а физики в Гамбурге (Германия) изучали свойства и кристаллическую структуру данного образца. Эксперименты же по фотоэмиссионной спектроскопии проводились в Швейцарии. То есть получился завершенный цикл научной работы: от теоретического предсказания до его экспериментального подтверждения.

Будущее за спинами
Топологические изоляторы – принципиально новый материал, сочетающий в себе одновременно свойства полупроводника (во внутреннем объеме) и металла (на поверхности). Кроме того, электроны его поверхностного слоя ориентированы специфическим образом в пространстве, и основным фактором, определяющим их движение, является не электрический заряд, а спин – собственный момент импульса электронов. Такие электроны практически не рассеиваются во время движения, а, следовательно, не теряют энергию, не отдают ее на нагрев. Топологические изоляторы могут использоваться в спинтронике – при создании различных приборов, в том числе и квантового компьютера. Особенность такой энергосберегающей техники – она не будет нагреваться при работе, а размер ее уменьшится по сравнению с нынешними электронными устройствами.
Томским ученым совместно с зарубежными коллегами удалось создать особый вид топологических изоляторов – со слегка «утопленным» (на один-два нанометра) поверхностным слоем металла, над которым находится тонкий слой полупроводника. В результате, если поверхность такого материала подвергается какому-либо воздействию, то металлический слой не нарушается.
Следующим этапом работы будет уже модификация данных материалов с учетом заданных свойств, например, с учетом магнетизма и создание топологических изоляторов с разными свойствами для разных целей.
Публикация в престижном научном журнале как нельзя лучше подтверждает высокий профессиональный уровень ведущихся в лаборатории научных исследований. И то, что весь прошедший год работа в рамках проекта велась успешно, стало возможным, благодаря уже многолетнему сотрудничеству томских ученых-физиков с зарубежными коллегами.
– Финансирование, которое мы получили – конечно, колоссальная помощь, но она была предоставлена уже движущемуся «составу», – говорит Евгений Чулков. – Нам не пришлось тратить время на его формирование, поэтому мы смогли вести эффективную научную работу уже в прошедшем году.

Наталья Шарапова