Интерес к изучению узкозонных полупроводниковых соединений V-VI групп (Bi₂Te₃, Bi₂Se₃ и др.), названных 3D топологическими изоляторами (ТИ), связан с проявлением этими соединениями уникальных физических свойств, открытых несколько лет назад.

Дисперсионные кривые Bi₂Te₂Se вдоль направления Г-К, измеренные методом фотоэмиссии с угловым разрешением (а) сравниваются с теоретическим результатом, полученным из первопринципных расчетов (б). (в) – результат измерения энергетического распределения электронов с разрешением по спину: красные треугольники вверх отражают распределения электронов по спину вверх, синие треугольники вниз – по спину вниз.

3D ТИ являются новым классом квантовых материалов, демонстрирующих поведение подобное квантовому эффекту Холла, где роль внешнего магнитного поля играет спин-орбитальное взаимодействие. Данные материалы имеют запрещенную зону в объёме, т.е. являются объёмными изоляторами, поверхность которых становится проводником за счет сильного спин-орбитального взаимодействия, вследствие чего возникают спин-расщепленные поверхностные состояния. Возникающие поверхностные состояния образуют дираковский конус вокруг точки Г, в котором направление спинового момента ортогонально волновому вектору и однозначно с ним связано.

В работе изучены перспективные с точки зрения электронного строения соединения Bi₂Te₂Se и Bi₂TeSe₂ [Phys. Rev. Lett. 109, 166802 (2012)], а также пассивационные свойства поверхности (0001) Bi₂Se₃ [J. ofAppl. Phys. 112, 113702 (2012)]. Впервые экспериментально показано, что высокая степень спиновой поляризации (~80%) сохраняется при переходе через точку Дирака с верхней ветки на нижнюю (рис. а,в) и находится в хорошем согласии с расчетами из первых принципов (рис. б).

Впервые экспериментально и расчетами из первых принципов объяснен механизм окисления поверхности (0001)Bi₂Se₃. Доказано, что наличие вакансий на поверхности Bi₂Se₃ (0001) приводит к формированию химической связи атомов висмута второго слоя с атомами кислорода через разрыв связи в молекулах О₂ и NO₂. Бездефектная поверхность (0001)Bi₂Se₃ остаётся инертной к окислению после долгого (несколько месяцев) хранения образцов на воздухе. Стабильность поверхностей ТИ и высокая степень спиновой поляризации в нижней и верхней частях конуса Дирака расширяет возможности использования этих материалов в приложениях спинтроники, в частности, при создании ТИ приборов на p-n переходах и затворах.