Międzynarodowe Centrum Sprzężenia Magnetyzmu i Nadprzewodnictwa z Materią Topologiczną – MagTop

W Instytucie prowadzone są teoretyczne i doświadczalne badania nowych materiałów o własnościach topologicznych oraz rozwijana jest technologia ich wytwarzania. W celu zintensyfikowania tych prac, w 2018 roku utworzony został nowy oddział naukowy ON6 „Międzynarodowe Centrum Sprzężenia Magnetyzmu i Nadprzewodnictwa z Materią Topologiczną – MagTop” kierowany przez prof. Tomasza Dietla. Jest on finansowany w ramach projektu z Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej poprzez Program „Międzynarodowe Agendy Badawcze” współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.

Materiały topologiczne są bardzo szeroką, ale stosunkowo niedawno odkrytą klasą kwantowych materiałów, których nietrywialne własności elektronowe, wynikające ze specyficznych symetrii, są odporne na lokalne zaburzenia oraz na sposób przygotowania próbki. Jedną z podgrup tych materiałów są izolatory topologiczne, są one izolatorami (posiadają przerwę energetyczną), a mimo to na ich powierzchni tworzy się stan metaliczny. Ze względu na symetrię odwrócenia czasu i na prawo zachowania liczby cząstek (albo ze względu na krystaliczną symetrię odbicia w przypadku krystalicznych izolatorów topologicznych) na ich granicach sąsiadujących z normalnymi materiałami (wliczając w to próżnię) powstają topologicznie chronione metaliczne stany elektronowe. Dotyczy to    powierzchnie lub brzegi, w przypadku odpowiednio trój- i dwu-wymiarowych struktur. Eksperymentalne badania izolatorów topologicznych zapoczątkowane zostały w IF przez grupę prof. Tomasza Storego z wykorzystaniem litych (trójwymiarowych) kryształów Pb_1-xSn_xSe [Nat. Mater. 11, 1023 (2012)], a obecnie obejmują także topologiczne struktury niskowymiarowe półprzewodnikowych związków z grupy IV-VI i II-VI wytwarzane metodą epitaksji z wiązek molekularnych (MBE) w nowym laboratorium technologicznym kierowanym przez prof. Tomasza Wojtowicza. Główny nurt badań w MagTop-ie dotyczy sprzężenia materii topologicznej z magnetyzmem i nadprzewodnictwem poprzez domieszkowanie albo efekt bliskości. Sprzężenie ruchu orbitalnego elektronów z ich spinowym momentem magnetycznym umożliwia nowe zastosowania takich powierzchniowych prądów spinowych w spintronice. Z kolei na złączu pomiędzy izolatorem topologicznym i nadprzewodnikiem powstaje specyficzny stan nadprzewodzący , dzięki któremu możliwe jest dokonywanie operacji, w oparciu o które można zbudować komputer kwantowy.

Prowadzone w Instytucie badania naukowe mają istotne znaczenie nie tylko z czysto poznawczego punktu widzenia, ale także stwarzają możliwości nowych rozwiązań technologicznych. Istnienie bowiem stanów topologicznych, które „są chronione” przez symetrie i odporne na zewnętrzne zaburzenia uniemożliwia rozpraszanie elektronów na defektach, co pozwala na znacznie szybszy przepływ prądu elektrycznego i wydatnie zmniejsza wydzielania ciepła w układach mikro- i nanoelektronicznych. Może to być podstawą budowy topologicznych komputerów kwantowych, transportu i przetwarzania informacji bez strat energii, budowy niezwykle sprawnych czujników biologicznych lub chemicznych, czy też wreszcie pozwolić na poprawę wydajności zamiany energii cieplnej na elektryczną.  

Warto wspomnieć, że pracownicy MagTop-u już zgłosili do Europejskiego Biura Patentowego trzy wnioski patentowe będące wynikiem prowadzonych badań materii topologicznej, z czego jeden wspólnie z firmą Bosch, natomiast czwarty wniosek z firmą PREVAC jest w przygotowaniu.