石墨烯刚刚解锁了无需磁场的"不可能"量子电流

量子物理学家塔利赫·基亚西（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地移动，且所有电子自旋方向保持一致。基亚西解释道："自旋是电子的量子力学特性，如同电子携带的微小磁体，方向指向上或下。我们可以利用电子自旋在所谓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、更高能效的电子产品、量子计算和先进存储设备。"

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磁场。"特别是，石墨烯中量子自旋流的检测始终依赖强磁场，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，这为未来量子自旋电子器件的应用开辟了道路，"基亚西表示。

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覆磁性材料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。基亚西指出："我们观察到石墨烯中的自旋输运受邻近CrPS₄材料调控，使得石墨烯内的电子流动依赖于电子自旋方向。"

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长达数十微米距离内完好传输，电路中的自旋信息不会丢失。"这些受拓扑保护的自旋流不受无序和缺陷干扰，即使在非理想条件下仍保持可靠，"基亚西强调。保持自旋信号无信息损耗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进步。观测到的石墨烯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。这些稳健的自旋电子器件可作为量子计算的关键构建模块，在量子电路中无缝连接量子比特。