Новые «квантовые» материалы, топологические изоляторы, с момента открытия активно изучаются в последнее десятилетие многими научными коллективами. Нобелевская премия 2016 г. и Breakthrough prize 2018 г. демонстрируют безусловную актуальность изучения этих материалов. Более того, недавно были продемонстрированы конкретные варианты использования топологических изоляторов в электронике, спинтронике и квантовых компьютерах. При этом за счет уникальных свойств топологической защищенности их использование в устройствах сопровождается существенным снижением энергопотребления, потерь на рассеяние, а также защиты информации от взлома.

Изучению топологических изоляторов различного типа, а также изучению топологических квантовых эффектов, формируемых при их взаимодействии с магнитным полем, уделяют все большее внимание множество отечественных и зарубежных научных коллективов. В частности, одним из наиболее перспективных направлений исследований является изучение стехиометрических магнитных топологических изоляторов, которые реализуются в виде химически упорядоченных магнитных соединений. В этих системах за счет большого магнитного момента слоя магнитных атомов реализуется квантовый аномальный эффект Холла, а на поверхности формируются одномерные спин-поляризованные каналы проводимости. Исследование электронной и спиновой структуры конуса Дирака в данных системах и их магнитных характеристик представляет собой важную научную проблему, как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения. Эти материалы также позволяют реализовать уникальные явления из области физики элементарных частиц, такие как магнитный монополь, фермионы Майорана, аксионный изолятор или изолятор Черна. Помимо этого, уникальная магнитная текстура стехиометрических магнитных топологических изолтяоров, зависящая от толщины и состава соединения, в сочетании с квазидвумерным ван-дер-Ваальсовым характером соединений является высокоперспективной для быстродействующей антиферромагнитной спинтроники и миниатюрной двумерной спинтроники. Для наблюдения и применения описанных эффектов в устройствах спинтроники и квантовых компьютерах необходима возможность надежного управления электронной и спиновой структурой стехиометрических магнитных топологических изоляторов.

В связи с вышеперечисленным, одной из актуальных задач становится разработка прототипов устройств спинтроники и квантовых компьютеров на основе магнитных топологических изоляторов, использующих свойства новых «квантовых» материалов и соответствующие топологические эффекты, также анализ условий реализации эффектов топологического квантования электронных и магнитных свойств в данных системах и выявление основных факторов, ответственных за реализацию данных эффектов. Поставленные в рамках проекта научные задачи анализа особенностей электронной и спиновой структуры нового класса «квантовых» стехиометрических топологических систем с Дираковским конусом электронных состояний и их взаимосвязи с эффективностью реализации квантового аномального эффекта Холла, топологического магнито-электрического эффекта и пр. будут решаться в проекте с использованием самых современных научных тенденций и подходов, развиваемых в последнее время во всем мире, а также самого современного научно-технического оборудования, что обуславливает высокую научную значимость и перспективность проводимых исследований.

Поставленные научные проблемы и исследования, предлагаемые в рамках проекта, являются, безусловно, актуальными, причем как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения эффективного использования исследуемых эффектов при создании новых нанотехнологических и спиновых электронных устройств, в том числе при разработке модели квантового компьютера (спиновый транзистор, топологически защищенный «кубит» и др.).