石墨烯成功解锁无需磁铁即可产生一度被认为“不可能”实现的量子电流

量子物理学家Talieh Ghiasi首次在无需任何外部磁场的情况下，在石墨烯中演示了量子自旋霍尔（QSH）效应。该效应使电子能够无阻碍地沿石墨烯边缘运动，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，指向向上或向下。我们可以利用电子自旋在所谓的自旋电子器件中传输和处理信息。此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

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。"特别是，石墨烯中量子自旋流的检测一直需要大型磁场，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的事实，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层叠磁性材料CrPS₄，成功规避了对磁场的需求。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QSH效应。Ghiasi指出："我们观察到石墨烯中的自旋输运会因邻近的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。"

保持自旋信息

科学家们在石墨烯-CrPS₄堆叠结构中检测到的量子自旋流具有"拓扑"保护特性，这意味着自旋信号能够在数十微米的长距离传输中保持完整，不会丢失电路中的自旋信息。Ghiasi强调："这些受拓扑保护的自旋流对于无序和缺陷具有强鲁棒性，使其即使在非理想条件下仍能保持可靠。"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关键构建模块，在量子电路中无缝连接量子比特。