石墨烯在无磁体条件下实现了“不可能”的量子电流

量子物理学家Talieh Ghiasi首次在石墨烯中实现了无需外加磁场的量子自旋霍尔效应(QSH)。该效应使电子能够无阻碍地沿石墨烯边缘运动，且所有电子自旋方向保持一致。"自旋是电子的量子力学特性，就像电子携带的微型磁体，可以指向上或下，"Ghiasi解释道，"我们可以利用电子自旋在自旋电子器件中传输和处理信息。这类电路有望应用于下一代技术，包括更快速、更高能效的电子设备、量子计算和先进存储器件。"

片上集成

实现石墨烯中的量子输运通常需要施加与电子电路不兼容的强外磁场。"特别是，石墨烯中量子自旋流的检测一直需要强磁场，这在实际中无法实现片上集成。因此，我们现在无需外加磁场就能实现量子自旋流这一事实，为这些量子自旋电子器件的未来应用开辟了道路，"Ghiasi表示。

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覆盖磁性材料CrPS₄，成功规避了对外加磁场的需求。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受到相邻CrPS₄的影响，使得石墨烯中的电子流动取决于电子的自旋方向。"

自旋信息保持

科学家在石墨烯-CrPS₄叠层结构中检测到的量子自旋流具有"拓扑"保护特性，这意味着自旋信号可在数十微米的长距离传输中保持完整，不会损失电路中的自旋信息。"这些受拓扑保护的自旋流对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，"Ghiasi强调。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。

该发现为基于石墨烯的超薄自旋电子电路开辟了道路，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能成为量子计算中的关键构建模块，在量子电路中无缝连接量子比特。