石墨烯成功解锁无需磁体即可产生的“不可能”量子电流

量子物理学家Talieh Ghiasi首次在无需任何外部磁场的情况下，在石墨烯中展示了量子自旋霍尔（QSH）效应。该效应使电子能无阻碍地沿石墨烯边缘移动，且所有自旋方向保持一致。Ghiasi解释道："自旋是电子的一种量子力学特性，如同电子携带的微型磁体，可指向上或下方向。我们可利用电子自旋在所谓的自旋电子器件中传输和处理信息。这类电路为下一代技术带来希望，包括更快速、更高能效的电子设备、量子计算以及先进存储器件。"

片上集成

在石墨烯中实现量子输运通常需要施加与电子电路不兼容的大型外部磁场。Ghiasi表示："特别是在石墨烯中检测量子自旋流始终需要大型磁场，这在实际中无法实现片上集成。因此，我们如今无需外部磁场即可实现量子自旋流，这为未来应用这些量子自旋电子器件开辟了道路。"

石墨烯中的自旋输运

Van der Zant实验室的科学家通过在石墨烯上层叠磁性材料CrPS₄，成功规避了对外部磁场的需求。该磁性层显著改变了石墨烯的电子特性，从而在石墨烯中诱发了QSH效应。Ghiasi指出："我们观察到石墨烯中的自旋输运因邻近的CrPS₄而发生改变，使得石墨烯中的电子流动变得依赖于电子的自旋方向。"

自旋信息保护

科学家在石墨烯-CrPS₄堆叠结构中检测到的量子自旋流具有"拓扑"保护特性，这意味着自旋信号可在长达数十微米的距离内完整传输，且电路中不会丢失自旋信息。Ghiasi强调："这些受拓扑保护的自旋流具有抗无序和缺陷的鲁棒性，即使在非理想条件下仍能保持可靠。"在无信息损耗的情况下保持自旋信号对于构建自旋电子电路至关重要。

该发现为基于石墨烯的超薄自旋电子电路铺平了道路，有望推动下一代存储与计算技术的进步。在石墨烯中观测到的自旋流为通过电子自旋实现高效、相干的量子信息传输提供了强大新途径。这些鲁棒的自旋电子器件可作为量子计算中的核心构建模块，在量子电路中无缝连接量子比特。