量子扭曲：首次在石墨烯中实现无磁自旋传输

科学家发现，通过将石墨烯放置在选定的磁性材料上，他们可以在没有磁铁的情况下触发和控制量子自旋流，为超薄的下一代量子设备铺平了道路。

一组研究人员首次在不使用任何外部磁场的情况下成功生成并探测石墨烯中的自旋电流，成功解决了物理学中一个长期存在的难题。这一进展可能在下一代量子器件的演进中发挥重要作用。

特殊自旋流是自旋电子学的关键成分，自旋电子学是一种利用电子自旋而非电荷来传输信息的新技术。自旋电子学有望实现比当今电子设备更快、更节能的设备，但使其在石墨烯等实用材料中发挥作用一直颇具挑战。

荷兰代尔夫特理工大学 (TU Delft) 首席研究员兼博士后研究员 Talieh Ghiasi表示：“特别是，检测石墨烯中的量子自旋电流一直需要大磁场，而这实际上不可能集成在芯片上。”

然而，在最新的研究中，Ghiasi 和他的团队证明，通过将石墨烯放置在精心选择的磁性材料上，他们可以在没有磁铁的情况下触发和控制量子自旋流。这一发现可能为超薄自旋电路铺平道路，并有助于弥合电子技术与未来量子技术之间的差距。

在石墨烯中实现双霍尔效应

要理解这项研究的特殊之处，有必要了解一下该团队当时试图创造量子自旋霍尔（QSH）效应。这是一种特殊状态，电子仅沿着材料的边缘移动，并且它们的自旋指向同一方向。

这种运动非常平稳，不会因微小的缺陷而分散，这对于制造高效、低功耗电路来说是理想的方案。然而，到目前为止，要让石墨烯展现这种效果，需要施加强磁场。

研究人员没有强迫石墨烯在磁铁的作用下表现出不同的行为，而是采取了不同的方法。他们将一层石墨烯放置在一种名为硫代磷酸铬（CrPS₄）的层状磁性材料上。这种材料会通过科学家所说的磁邻近效应自然地影响附近的电子。

意想不到的异常霍尔效应

当石墨烯堆叠在CrPS₄上时，其电子开始感受到两种关键力：自旋轨道耦合（将电子的运动与其自旋联系起来）和交换相互作用（有利于某些自旋方向）。这些力在石墨烯结构中打开能隙，并导致边缘导电态的出现，这是量子自旋效应的标志。

研究人员证实，自旋电流沿着石墨烯的边缘流动，即使存在小的缺陷，也能在几十微米的距离内保持稳定。

他们还发现了意想不到的现象，即异常霍尔（AH）效应。即使没有外部磁场，电子也会偏向一侧。与他们在低温（低温）下观察到的量子霍尔效应不同，这种异常行为甚至在室温下也持续存在。

研究作者指出：“在零外部磁场下检测 QSH 状态，以及持续到室温的 AH 信号，为磁性石墨烯在量子自旋电子电路中的实际应用开辟了道路。”

自旋流的巨大潜力

这种稳定的、受拓扑保护的自旋流可用于长距离传输量子信息，甚至可能用于连接未来量子计算机中的量子比特。它们还为超薄存储器和逻辑电路打开了大门，这些电路的运行温度比当今的硅基器件更低，效率也更高。

Ghiasi 表示：“这些受拓扑保护的自旋流具有很强的抗无序性和缺陷性，即使在不完美的条件下也能保证其可靠性。”

然而，仍有一些限制需要克服。与AH不同，这里观察到的QSH效应更适合开发量子电路，但仅在极低温度下发生，这限制了其在消费电子产品中的直接应用。

研究人员目前的目标是研究如何在高温下使这种效应更加稳健，并探索这种方法可以发挥作用的其他材料组合。

该研究已发表在《自然通讯》杂志上。