石墨烯中首次演示量子自旋霍爾效應

科技日報訊 （記者張夢然）荷蘭代爾夫特理工大學科學家首次在無需外部磁場的條件下，觀測到石墨烯中的量子自旋流。這一突破性發現為自旋電子學的發展提供了關鍵支持，標誌着向實現量子計算和先進存儲設備邁出了重要一步。相關成果發表於最新一期《自然·通訊》。

這是科學家在實驗中首次在石墨烯中演示了“量子自旋霍爾效應”。在這種效應下，電子會沿着石墨烯的邊緣無損耗地流動，所有電子的自旋方向保持一致。自旋是電子的一種內稟量子特性，類似於一個微型磁針，可以指向“上”或“下”。利用電子自旋來傳輸和處理信息是自旋電子學的核心原理。這類器件有望成為下一代高速、低能耗電子設備、量子計算機以及先進存儲系統的關鍵基礎。

長期以來，在石墨烯中實現量子級別的自旋輸運通常需要施加強外部磁場，這不僅限制了其在芯片上的集成應用，也阻礙了相關技術的實際推廣。因此，此次無需外加磁場即可實現量子自旋流的研究成果，為未來自旋電子器件的實際應用掃清了一大障礙。

科學家通過將石墨烯與一種磁性二維材料CrPS4堆疊在一起，巧妙地繞過了對外部磁場的依賴。這種磁性層顯著改變了石墨烯的電子結構，從而誘導出量子自旋霍爾效應。實驗顯示，石墨烯中的電子輸運行為受到CrPS4的影響，呈現出明顯的自旋方向依賴性。

更重要的是，這種由鄰近磁性層調控的自旋電流具有“拓撲保護”特性。這意味着即使存在缺陷或無序干擾，自旋信號仍能在數十微米的距離內保持完整，不會在傳輸過程中丟失信息。這種高度穩定的自旋傳輸能力對於構建高性能、高可靠性的自旋電子電路至關重要。

這項研究不僅首次證實了無需磁場即可在石墨烯中實現受保護的量子自旋流，也為開發基於石墨烯的超薄自旋電子器件打開了新窗口。未來，這類穩定的自旋電子結構有望用於高效、相干地傳輸量子信息，並作為量子計算的基本單元，連接多個量子比特，推動新一代信息技術的發展。