石墨烯中的量子自旋霍爾效應(yīng)（藝術(shù)圖）。藍色和紅色球體分別代表沿石墨烯邊緣運動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

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(fā)現(xiàn)為自旋電子學的發(fā)展提供了關(guān)鍵支持，標志著向?qū)崿F(xiàn)量子計算和先進存儲設(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》。

這是科學家在實驗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，電子會沿著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(nèi)稟量子特性，類似于一個微型磁針，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(shè)備、量子計算機以及先進存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

長期以來，在石墨烯中實現(xiàn)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(yīng)用，也阻礙了相關(guān)技術(shù)的實際推廣。因此，此次無需外加磁場即可實現(xiàn)量子自旋流的研究成果，為未來自旋電子器件的實際應(yīng)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(jié)構(gòu)，從而誘導出量子自旋霍爾效應(yīng)。實驗顯示，石墨烯中的電子輸運行為受到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“拓撲保護”特性。這意味著即使存在缺陷或無序干擾，自旋信號仍能在數(shù)十微米的距離內(nèi)保持完整，不會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。

這項研究不僅首次證實了無需磁場即可在石墨烯中實現(xiàn)受保護的量子自旋流，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，并作為量子計算的基本單元，連接多個量子比特，推動新一代信息技術(shù)的發(fā)展。（張夢然）