Квантовые материалы, по определению – это такие материалы, в которых квантовые эффекты проявляются на макроскопическом уровне. Всем известные примеры – квантовые жидкости (3He, 4He), сверхпроводники, и даже магнетики. Менее тривиальными являются топологически нетривиальные материалы – топологические изоляторы (TI), Вейлевские (WSM) и Дираковские (DSM) полуметаллы. Даже “обычные” материалы, такие, например, как слоистые полуметаллы или двумерные слои электронов на интерфейсе полупроводников, при увеличении межэлектронных квантовых корреляций демонстрируют принципиально новые свойства, не характерные для классических материалов.

Физика топологически нетривиальных квантовых материалов зародилась в последние 15 лет и является одним из наиболее бурно развивающихся направлений в происходящей сейчас новой квантовой “революции”. Главный объект изучения – “топологически защищенные” квантовые состояния электронов, свободно распространяющиеся по поверхности или вдоль краев и имеющие спин, жестко привязанный к направлению импульса. Эти состояния возникают на поверхности квантовых материалов: топологических изоляторов, Вейлевских и Дираковских полуметаллов.

Со времен создания квантовой механики в начале 20 века, квантовая физика не испытывала столь бурного развития. Одна из причин огромного интереса исследователей к данной области связана с перспективой создания принципиально новых типов приборов для спинтроники и квантовых вычислений на основе защищенных квантовых состояний. В настоящее время основным препятствием использованию квантовых вычислений является потеря когерентности квазичастиц (для простоты, электронов) из-за влияния окружающей среды. Топологически защищенные квантовые состояния, в т.ч. фермионы Майорана, дают способ решения этой проблемы, являясь устойчивыми к внешним возмущениям. Другая причина связана с возможностью реализации в наноструктурах на основе TI, сверхпроводников (SC) и WSM экзотических элементарных частиц – фермионов Майорана, бозонов Хиггса и т.д. Эти частицы долгое время пытались обнаружить (или ценой огромных затрат обнаруживают) в экспериментах на ускорителях. Наконец, гетероструктуры на основе SC и TI позволяют, в принципе, конструировать зонный спектр электронов с огромной плотностью состояний на уровне Ферми, (т.н. “плоские зоны”), создавая предпосылки к резкому повышению критической температуры сверхпроводимости.