石墨烯中的量子自旋霍爾效應(yīng)（藝術(shù)圖）。藍(lán)色和紅色球體分別代表沿石墨烯邊緣運(yùn)動(dòng)的自旋向上和自旋向下的電子。 圖片來源：荷蘭代爾夫特理工大學(xué)
荷蘭代爾夫特理工大學(xué)科學(xué)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(fā)現(xiàn)為自旋電子學(xué)的發(fā)展提供了關(guān)鍵支持，標(biāo)志著向?qū)崿F(xiàn)量子計(jì)算和先進(jìn)存儲(chǔ)設(shè)備邁出了重要一步。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期《自然·通訊》。
這是科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中首次在石墨烯中演示了“量子自旋霍爾效應(yīng)”。在這種效應(yīng)下，電子會(huì)沿著石墨烯的邊緣無損耗地流動(dòng)，所有電子的自旋方向保持一致。自旋是電子的一種內(nèi)稟量子特性，類似于一個(gè)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(xué)的核心原理。這類器件有望成為下一代高速、低能耗電子設(shè)備、量子計(jì)算機(jī)以及先進(jìn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。
長期以來，在石墨烯中實(shí)現(xiàn)量子級別的自旋輸運(yùn)通常需要施加強(qiáng)外部磁場，這不僅限制了其在芯片上的集成應(yīng)用，也阻礙了相關(guān)技術(shù)的實(shí)際推廣。因此，此次無需外加磁場即可實(shí)現(xiàn)量子自旋流的研究成果，為未來自旋電子器件的實(shí)際應(yīng)用掃清了一大障礙。
科學(xué)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(jié)構(gòu)，從而誘導(dǎo)出量子自旋霍爾效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)顯示，石墨烯中的電子輸運(yùn)行為受到CrPS4的影響，呈現(xiàn)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(diào)控的自旋電流具有“拓?fù)浔Ｗo(hù)”特性。這意味著即使存在缺陷或無序干擾，自旋信號(hào)仍能在數(shù)十微米的距離內(nèi)保持完整，不會(huì)在傳輸過程中丟失信息。這種高度穩(wěn)定的自旋傳輸能力對于構(gòu)建高性能、高可靠性的自旋電子電路至關(guān)重要。
這項(xiàng)研究不僅首次證實(shí)了無需磁場即可在石墨烯中實(shí)現(xiàn)受保護(hù)的量子自旋流，也為開發(fā)基于石墨烯的超薄自旋電子器件打開了新窗口。未來，這類穩(wěn)定的自旋電子結(jié)構(gòu)有望用于高效、相干地傳輸量子信息，并作為量子計(jì)算的基本單元，連接多個(gè)量子比特，推動(dòng)新一代信息技術(shù)的發(fā)展。（張夢然）
