石墨烯实现突破：免磁驱动“不可能”量子电流

量子物理学家塔利赫·加伊西（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。"自旋是电子的一种量子力学属性，就像电子携带的微型磁体，可指向上方或下方，"加伊西解释道。"我们可以在所谓的自旋电子学器件中利用电子自旋来传输和处理信息。这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、量子计算以及先进存储器。"

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。"尤其值得注意的是，石墨烯中量子自旋流的检测始终需要强大的磁场，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，为这些量子自旋电子器件的未来应用开辟了道路，"加伊西表示。

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上堆叠磁性材料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，从而在石墨烯中诱发了QSH效应。加伊西指出："我们观察到石墨烯中的自旋输运受邻近CrPS₄层调控，使得石墨烯中的电子流动依赖于电子的自旋方向。"

自旋信息保持

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，这意味着自旋信号在电路内传输数十微米距离时仍能保持完整，且不会丢失自旋信息。"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，"加伊西强调。实现自旋信号的无损传输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全新途径。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。