В XXI веке наша зависимость от технологий на основе кремния сталкивается с серьезными проблемами, обусловленными внутренними физическими барьерами. Размер атомов накладывает ограничения на миниатюризацию устройств: Решение этих проблем может потребовать отказа от кремния — фундаментального строительного блока современных устройств. Поэтому необходимо использовать другие категории более эффективных материалов, например, квантовые материалы. Достижения в этих областях помогут разработать экологически чистые технологии, решающие насущные проблемы изменения климата и спроса на энергию. Однако поиск соединений, пригодных для квантовых приложений, среди десятков тысяч химически стабильных соединений всегда был сложной задачей. Преодоление проблемы открытия пригодных для использования квантовых материалов является ключом к разработке новых квантовых технологий.

Исследовательская кафедра Canada Excellence

Эту задачу решает Канадская кафедра передовых исследований (CERC) в области топологических квантовых материалов, возглавляемая профессором Майей Вергниори из Шербрукского университета, входящего в десятку лучших исследовательских университетов Канады и являющегося пионером в области квантовых технологий. Благодаря крупному гранту в размере $4 млн на восемь лет, CERC позволяет профессору Вергниори и ее команде проводить амбициозные исследования, направленные на развитие квантового материаловедения путем разработки топологической квантовой химии для открытия топологических материалов.

Профессор Майя Вергниори занимает видное место в мировой области квантовой конденсированной материи. Среди ее выдающихся достижений — участие в создании новой области исследований — топологической квантовой химии (TQC), двукратное попадание на обложку престижного журнала Nature за свои высокоцитируемые научные работы, а также значительное признание ее вклада в науку, например, премия L'Oréal-UNESCO «Женщины в науке» в 2017 году и звание члена Американского физического общества в 2022 году.

Квантовый институт (IQ) Шербрукского университета — учреждение, признанное во всем мире лидером в области квантовой науки, обладающее современным оборудованием и тесными связями с промышленностью, — представляет собой идеальную среду для междисциплинарных исследований профессора Вергниори. Ее команда, состоящая из талантливых студентов и исследователей, занимается теоретическими исследованиями и моделированием с целью разработки новых квантовых устройств и материалов. Эти усилия способствуют развитию квантового зондирования, отказоустойчивых квантовых вычислений и других передовых технологий. Уникальная междисциплинарная среда IQ для квантовых исследований будет способствовать переходу от теории к экспериментам.

Исследование новых квантовых материалов с помощью топологической квантовой химии

Профессор Вергниори является первопроходцем в области топологической квантовой химии — дисциплины, объединяющей квантовую механику и материаловедение. Она обеспечивает четкий путь к пониманию электронных структур материалов, связывая их топологические свойства с химическими и орбитальными симметриями, используя теорию графов и групп. Эта новая структура улучшает наше понимание таких материалов, как топологические изоляторы и полуметаллы, объединяя внимание химиков к локальным связям и взаимодействиям с вниманием физиков к структуре электронных полос. Это позволяет нам классифицировать и предсказывать топологические фазы, способствуя открытию новых топологических материалов. Эти недавно открытые материалы проявляют уникальные электронные свойства, характеризуясь изолирующими внутренностями и проводящими поверхностями, которые очень устойчивы к дефектам и взаимодействиям. Такие характеристики обладают огромным потенциалом для применения в самых разных областях.

Соединяя теорию и практические приложения

В настоящее время переход топологических материалов к квантовым технологиям находится в зачаточном состоянии. Цель профессора Вергниори — стимулировать этот переход путем открытия новых функциональных топологических материалов. Этот междисциплинарный проект находится на стыке физики, химии и информатики. Используя топологическую квантовую химию, ее команда уже определила, что среди материалов, входящих в базу данных неорганических кристаллических структур (ICSD) — крупнейшее хранилище полностью идентифицированных неорганических кристаллических структур — около 50% проявляют топологические свойства. Электронная структура и топологические свойства этих материалов были выложены на общедоступном сайте.

Несмотря на этот успех, предстоит еще много работы, и до сих пор топологическая квантовая химия опиралась на расчеты по теории функционала плотности (DFT), которые не дают результатов в материалах с сильными электронными корреляциями. Важной задачей является включение электронных корреляций в теорию и соединение открытия материалов на основе TQC с разработкой технологически полезных устройств. Это предполагает разработку новых теоретических и численных основ для изучения электронных и магнитных свойств реальных материалов в низких измерениях и создание новых метаматериалов.

Это очень интересно, потому что мы расширяем границы знаний, — заявила исследователь.

Остается еще много вопросов, и мы понятия не имеем, каков будет результат.

Уникальные свойства топологических материалов позволяют использовать их в самых разных областях. Их устойчивые электронные состояния могут повысить эффективность микроэлектронных компонентов, улучшить работу катализаторов, усовершенствовать термоэлектрические преобразователи и привести к созданию инновационных магнитных носителей информации. Включая электронные корреляции в топологическую квантовую химию, профессор Вергниори стремится раскрыть потенциал квантовых материалов с сильными электронными взаимодействиями, таких как высокотемпературные сверхпроводники, еще больше расширяя сферу применения квантовых технологий и внося вклад в создание экологически чистых технологий.

Ранее ученые продемонстрировали сверхпроводящие качества топологических изоляторов.