Проект посвящен построению теории гидродинамических эффектов и эффектов магнитного упорядочения в сильно коррелированных полупроводниковых материалах. Такие эффекты являются одним из основных проявлений межэлектронного взаимодействия в этих материалах и активно экспериментально изучаются в ведущих мировых лабораториях. Поэтому развитие теории этих эффектов является актуальной задачей.

В современных наноструктурах высокого качества длина свободного пробега двумерных электронов относительно рассеяния импульса на беспорядке может быть порядка или больше размера образца. Как следствие, при низких температурах ключевую роль в электронном транспорте начинают играть сохраняющие импульс межэлектронные столкновения. Электроны формируют вязкую жидкость, величина и форма потока которой управляются законами гидродинамики. Целью настоящего проекта является построить теорию высокочастотного гидродинамического транспорта для случая наноструктур с сильно взаимодействующими двумерными электронами. С помощью модели ферми-жидкости Ландау планируется вывести уравнение Навье-Стокса вязкой сильно неидеальной двумерной электронной жидкости в магнитном поле. На его основе планируется построить гидродинамическую теорию эффекта микроволновых осцилляций фотосопротивления (эффекта MIRO), который наблюдался в высококачественных квантовых ямах на основе арсенида галлия и в других наноструктурах. Успешное решение поставленных задач существенно расширит понимание физической природы электрического транспорта в наноструктурах с высокой подвижностью и впервые разрешит ряд противоречий в имеющихся представлениях о нём.

В современной физике магнитных материалов большое внимание сосредоточено на новом транспортном явлении – топологическом эффекте Холла (ТЭХ). Этот эффект возникает в результате обменного взаимодействия носителей заряда с неколлинеарными текстурами намагниченности, такими как магнитные скирмионы. ТЭХ представляет большой интерес, так как он открывает возможности по транспортному детектированию очень тонких корреляций во взаимной ориентации магнитных центров. Это явление сегодня исследуется в разнообразных магнитных системах, например, в тонких пленках ферромагнетиков на основе переходных и редкоземельных металлов, спиновых стеклах и антиферромагнетиках. В проекте запланировано теоретическое исследование ТЭХ в полупроводниковых низкоразмерных магнитных структурах. Эти системы особенно перспективны для экспериментальных исследований этого явления, поскольку предоставляют возможность перестройки ряда параметров, влияющих на ТЭХ. Управление величиной обменного взаимодействия, типом спектра носителей заряда и характером возникающих неколлинеарных магнитных текстур в полупроводниковых наноструктурах открывает возможность принципиально более глубокого изучения ТЭХ по сравнению с прочими магнитными системами. Особое внимание будет уделено описанию механизмов формирования неколлинеарных магнитных текстур в полупроводниковых структурах.

Многие свойства клатратов и их особенной подгруппы додекаборидов RB12 (R = Y, Zr, Tb-Lu), такие как сверхпроводимость, антиферромагнетизм, переход металл-диэлектрик, а также высокая термоэлектрическая эффективность при низкой теплопроводности, связаны с наличием сильной электрон-фононной связи в них. Эта связь может приводить к образованию структур с локально пониженной симметрией, которые могут влиять на транспортные свойства носителей заряда в данных материалах. Проект направлен на построение теории магнитопроводимости при учете рассеяния электронов на протяженных структурах (страйпах), возникающих в додекаборидах при низких температурах в результате локального понижения симметрии решетки кристалла; определение механизма возникновения страйпов в таких кристаллах с помощью теории коллективного эффекта Яна-Теллера; и объяснение нетипичной анизотропии магнитосопротивления в данных кристаллах, вызыванной рассеянием электронов на данных страйпах. Также в проект направлен на выяснение природы дребезжащих мод (rattling modes) атомов в таких кристаллах, их связь с образованием страйпов и их влиянием на транспорт в данных кристаллах, что является открытой проблемой на сегодняшний день.

Разбавленный магнитный полупроводник (Ga,Mn)As представляет собой материал, хорошо подходящий для изучения физики сильно коррелированных неупорядоченных спиновых систем. Однако, спиновая релаксация 3d электронов марганца в данном материала к настоящему времени изучена недостаточно. В данном проекте планируется теоретическое изучение механизмов спиновой релаксации 3d электронов марганца и сопоставление полученных результатов с экспериментами по комбинационному рассеянию с переворотом спина. Будет проанализировано влияние типа фазы (ферромагнитная, парамагнитная) и концентрации магнитной примеси на спиновую релаксацию 3d электронов.

Ожидаемые результаты

Будет выведено уравнение Навье-Стокса, описывающие гидродинамику сильно неидеальной вязкой двумерной электронной жидкости. Будут получены выражения для высокочастотных коэффициентов вязкости электронной жидкости с учётом нелокального по времени вклада. Будет рассчитано сопротивление сильно неидеальной электронной жидкости в образце с шероховатыми границами в присутствии микроволнового излучения и магнитного поля. Тем самым, будет построена теория эффекта микроволновых осцилляций сопротивления для случая гидродинамического режима. Ожидается, что полученные результаты будут представлять собой достижение мирового уровня в области физики электронного транспорта в наноструктурах с высокой подвижностью. Полученные результаты смогут найти практическое применение при конструировании быстродействующих электронных приборов на основе наноструктур с высокой подвижностью для обработки больших массивов данных.

Будет разработана теория топологического эффекта Холла в магнитных полупроводниковых структурах. Будут изучены механизмы, отвечающие за формирование неколлинеарных магнитных текстур в полупроводниковых системах. Ожидается, что полученные результаты откроют возможность экспериментального исследования ТЭХ в полупроводниковых структурах.

Впервые будет объяснена природа страйпов в додекаборидах, образующихся при температурах ниже 60 К, и их влияние на транспортные свойства электронов проводимости в данных металлах. Данная теория поможет пролить свет на многие свойства таких соединений, как клатраты, и позволит глубже понять природу наблюдаемых эффектов для данного класса кристаллов.

Будут выяснены основные механизмы спиновой релаксации 3d электронов марганца в разбавленном магнитном проводнике (Ga,Mn)As. Будут получены температурная и концентрационная зависимость времени спиновой релаксации ионов марганца и произведено сравнение полученных результатов с экспериментом.

Научной проблемой, на решение которой направлен Проект 2021, является построение теории транспортных явлений в новых сильно коррелированных полупроводниковых материалах, в том числе, явлений гидродинамического спинового транспорта, а также изучение физической природы коллективизированных состояний магнитных моментов в этих системах.

Изучение гидродинамического спинового транспорта может быть важно для разработки запоминающих устройств на основе магнитных гетероструктур. В таких устройствах активными элементами, в которых происходит хранение и управление спиновой поляризацией (намагниченностью), являются ферромагнитные слои. Они соединены между собой пассивными слоями из немагнитных материалов, по которым переносится спиновая поляризация носителями тока. При изготовлении пассивных элементов из высокоподвижных материалов (например, из графена и высокоподвижных квантовых ям), в них при очень малой плотности дефектов может быть реализован гидродинамический режим электрического транспорта из-за доминирующей роли межчастичных столкновений и формирования вязкой электронной жидкости. По-видимому, особый интерес представляет перенос спиновой поляризации электронов на максимально большое расстояние по длинным квазиодномерным каналам, для которых аномально большая пропускная способность пассивных элементов на основе гидродинамического транспорта будет использована наиболее полно.

В связи с этим, в Проекте планируется теоретически исследовать гидродинамический транспорт в поляризованной по спину вязкой электронной жидкости в двумерных высокоподвижных немагнитных материалах между ферромагниными контактами.

Планируется изучить, по каким механизмам инжектируемые из контактов поляризованные по спину электроны будут переноситься по гидродинамическим квазиодномерным каналам. Планируется разработать теорию, макроскопически описывающую распределения плотности спина и спинового тока в таких квазодномерных каналах с вязкой жидкостью. На основе построенной теории планируется определить оптимальную геометрию каналов для максимально эффективного переноса спиновой поляризации в таких системах.

Наряду с изучением переноса спин-поляризованных электронов в вязкой электронной жидкости в гидродинамических квазиодномерных каналах, планируется изучить для неупорядоченных одномерных систем из локализованных спинов влияние электрон-фононного взаимодействия на обменное взаимодействие, которое в таких системах является основным источником спиновых корреляций. Будут исследованы системы с сильным беспорядком, в которых электрический транспорт носителей заряда носит активационный характер, то есть электронные состояния являются локализованными. Будет произведен расчёт зависимости величины косвенного обменного взаимодействия от температуры и других параметров. На электрический транспорт в некоторых двумерных и трёхмерных материалах существенное влияние оказывают классические эффекты памяти за счет рассеяния на локализованных относительно крупных дефектах. К настоящему времени роль анизотропии поверхности Ферми в магнетосопротивлении в таких структурах не исследована. Анизотропия формы поверхности Ферми может привести к существенному изменению свойств и роли многократного рассеяния носителей на одном и том же рассеивателе (так называемых розеточных траекторий), а также к изменению числа электронов, не испытывающих столкновений с рассеивателями. Планируется исследовать эту проблему теоретически и рассчитать магнетосопротивление, возникающее от небольцмановских вкладов в ток от таких траекторий. Также планируется изучить эффекты памяти в транспорте в двумерных материалах со сложной зонной структурой и при наличии расщепления спиновых подзон за счёт стонеровского обменного взаимодействия.

Ссылка на описание на сайте Фонда: https://www.rscf.ru/project/21-72-03015/