Новые квантовые материалы

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 (TI), Вейлевских  и Дираковских полуметаллов (WSM, DSM).

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.