石墨烯在无磁体环境下实现“不可能”的量子电流

量子物理学家塔利赫·基亚西（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。QSH效应使电子能够不受干扰地沿石墨烯边缘移动，且所有电子的自旋方向保持一致。基亚西解释道：“自旋是电子的一种量子力学特性，如同电子携带的一个微型磁铁，指向上下。”“我们可以利用电子自旋在所谓的自旋电子学器件中传输和处理信息。此类电路有望应用于下一代技术领域，包括更快速、更高能效的电子产品、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强大外部磁场。“特别值得一提的是，检测石墨烯中的量子自旋流一直需要强大的磁场，而这类磁场实际上无法实现片上集成。因此，我们现在能够在无需外部磁场的情况下实现量子自旋流，这为未来应用这些量子自旋电子器件开辟了道路，”基亚西表示。

石墨烯中的自旋输运

范德赞特实验室的科学家们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，从而在石墨烯中引发了QSH效应。基亚西指出：“我们观察到，邻近的CrPS₄会改变石墨烯中的自旋输运特性，使得石墨烯中的电子流动变得依赖于电子的自旋方向。”

保持自旋信息

科学家们在石墨烯-CrPS₄叠层结构中检测到的量子自旋流具有“拓扑”保护特性，这意味着自旋信号在电路中传输数十微米距离仍能保持完整，不会丢失自旋信息。“这些受拓扑保护的自旋流对于无序和缺陷具有鲁棒性，即使在非理想条件下也能保持可靠，”基亚西说。保持自旋信号不丢失任何信息对于构建自旋电子电路至关重要。

这一发现为开发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和计算技术的发展。在石墨烯中观测到的自旋流为通过电子自旋实现量子信息的高效相干传输提供了一条强大的新途径。这些鲁棒的自旋电子器件可作为量子计算中的关键基础构建模块，在量子电路内无缝连接量子比特。