Работа, опубликованная в Physical Review B (IF=3.9), посвящена исследованию тонкоплёночных гетероструктур NiFe/MnBiTe — ферромагнитного пермаллоя и антиферромагнитного топологического изолятора.

Топологические изоляторы обладают следующими привлекательными особенностями:

• Электроны на поверхности движутся с привязкой направления спина к направлению импульса (спин-поляризованный ток).
• Поверхностные состояния защищены симметрией обращения времени и топологическими инвариантами. Электроны не испытывают обратного рассеяния даже при наличии дефектов или примесей в кристалле.
• Их волновая функция охватывает всю поверхность макроскопического тела и представляет собой квантовый макроскопический объект, пригодный для защищенной обработки информации.
• На поверхности электроны ведут себя подобно частицам Дирака с нулевой массой.

MnBiTe  является одним из классических примеров надежно аттестованного топологического диэлектрика.

Дорогой и редкий в лабораторных условиях метод угловой фотоэмиссионной спектроскопии (ARPES / Spin-resolved ARPES) является сегодня практически единственным методом верификации топологических свойств электронов на поверхности, поскольку позволяет прямо устанавливать зонную структуру.  Поэтому не прекращаются попытки создания условий для получения более простых откликов на топологически защищенные состояния электронов.

Основная идея данной работы заключается в том, что при контакте ферромагнетика и антиферромагнетика на их интерфейсе NiFe и MnBiTe (см. рис) образуется слой, где конкуренция положительного и отрицательного обменных взаимодействий формирует такое обменное поле, которое создает намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля. Это явление известно много десятков лет и получило название обменного смещения. Его микроскопическая природа до сих пор остается неизвестной, хотя само явление широко используется в сенсорах магнитного поля.

Если создать интерфейс с обменным смещением NiFe при одновременном присутствии поверхностных топологически защищенных состояний электронов на MnBiTe, можно будет узнать, в какой мере спиновая поляризация электронов проводимости на поверхности раздела этих материалов влияет на намагниченность обменно-смещенного соя. И наоборот, как тонкий обменно-смещенный интерфейс и его эффективное обменное поле влияет на спин и орбитальный момент топологически защищенных электронов этой же поверхности.

Международный коллектив исследовал связь между спиновой динамикой ферромагнетика в таком контакте и возникновением электрического напряжения, обусловленного обратным спиновым эффектом Холла  ISHE. Измерения проводились в широком температурном диапазоне — от 20 до 290 К — методами широкополосного ферромагнитного резонанса (5–17 ГГц) и измерения напряжения на частоте 6 ГГц. Преимущество этого метода заключается в том, что в условиях магнитного резонанса создается избыточная поляризация спинов носителей заряда в NiFe, которая передается путем спиновой диффузии в соседний слой и на поверхность MnBiTe. Затем величина этой поляризации трансформируется в поперечное напряжение Холла. Измерение этого напряжения является простым вольтаическим  индикатором переданной спиновой поляризации и характеризуется так называемым углом Холла.

В исследовании принимали участие научные сотрудники ФИЦ ПХФ и МХ РАН: М. В. Бахметьев и Р. Б. Моргунов.

Работа выполнена международной кооперацией:

• New Spintronic Technologies (Москва, Россия);
• Московский физико-технический институт (Долгопрудный, Московская область, Россия);
• Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН (Москва, Россия);
• Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка, Россия);
• Национальный университет образования Чанхуа (Чанхуа, Тайвань);
• Национальный университет Ченг Кунг (Тайнань, Тайвань);
• Международная иберийская лаборатория нанотехнологий — INL (Брага, Португалия).

A. S. Pakhomov, V. V. Yurlov, J. C. Wu, P. N. Skirdkov, J. C. A. Huang, S. H. Su, M. V. Bakhmetiev, C. F. Almeida Alves, E. Paz, R. B. Morgunov, A. I. Chernov, N. T. Hai and K. A. Zvezdin // Spin-Hall angle temperature dependence in NiFe/MnBi2Te4 heterostructures // PHYSICAL REVIEW B114,074433(2026), IF=3.9. Q-1

DOI: 10.1103/8ndt-kt7c