石墨烯在不借助磁铁的情况下实现了“不可能”的量子电流

量子物理学家Talieh Ghiasi首次在石墨烯中无需任何外部磁场的情况下演示了量子自旋霍尔（QSH）效应。该效应使电子沿着石墨烯边缘无阻碍地运动，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，可指向上方或下方，"Ghiasi解释道，"我们可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，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

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，我们现在无需外部磁场即可实现量子自旋流的事实，为未来这些量子自旋电子器件的应用开辟了道路，"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。Ghiasi指出："我们观察到石墨烯中的自旋输运受到邻近CrPS₄的影响，使得石墨烯中的电子流动依赖于电子自旋方向。"

保持自旋信息

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，且电路中的自旋信息不会丢失。"这些拓扑保护的自旋流对无序和缺陷具有鲁棒性，即使在非完美条件下也能保持可靠，"Ghiasi强调。无信息损耗地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道路，有望推动下一代存储与计算技术的发展。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核心构建模块，在量子电路中无缝连接量子比特。