石墨烯解锁了无需磁体的「不可能的」量子电流

量子物理学家塔利赫·吉亚西（Talieh Ghiasi）首次在无需外加磁场的条件下，于石墨烯中演示了量子自旋霍尔（QSH）效应。该效应使电子能沿石墨烯边缘无阻碍运动，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，如同电子携带的微型磁体，可指向上或下方向，"吉亚西解释道。"我们可利用电子自旋在所谓自旋电子器件中传输和处理信息。此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、量子计算及先进存储器件。"

片上集成

实现石墨烯的量子输运通常需要施加与电子电路不兼容的强大外磁场。"特别是，石墨烯中量子自旋流的检测始终依赖大型磁场，这在实际中无法实现片上集成。因此，我们如今无需外磁场即可实现量子自旋流，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，"吉亚西表示。

石墨烯中的自旋输运

范德赞特实验室的科学家通过在石墨烯底层铺设磁性材料CrPS₄，成功规避对外加磁场的需求。该磁性层显著改变了石墨烯的电子特性，从而在石墨烯中引发QSH效应。吉亚西指出："我们观察到石墨烯中的自旋输运受邻近CrPS₄影响而发生改变，使得石墨烯中的电子流动取决于电子的自旋方向。"

自旋信息保留

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，且电路中的自旋信息无损耗。"这些拓扑保护的自旋流对无序性和缺陷具有强鲁棒性，即使在非理想条件下仍能保持可靠，"吉亚西强调。无信息损耗地保存自旋信号对构建自旋电子电路至关重要。

该发现为开发基于石墨烯的超薄自旋电子电路铺平道路，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。这类鲁棒的自旋电子器件可成为量子计算的关键构建模块，在量子电路内无缝连接量子比特。