石墨烯中首次演示量子自旋霍尔效应

石墨烯中的量子自旋霍尔效应（艺术图）。蓝色和红色球体分别代表沿石墨烯边缘运动的自旋向上和自旋向下的电子。图片来源：荷兰代尔夫特理工大学

荷兰代尔夫特理工大学科学家首次在无需外部磁场的条件下，观测到石墨烯中的量子自旋流。这一突破性发现为自旋电子学的发展提供了关键支持，标志着向实现量子计算和先进存储设备迈出了重要一步。相关成果发表于最新一期《自然-通讯》。

这是科学家在实验中首次在石墨烯中演示了“量子自旋霍尔效应”。在这种效应下，电子会沿着石墨烯的边缘无损耗地流动，所有电子的自旋方向保持一致。自旋是电子的一种内禀量子特性，类似于一个微型磁针，可以指向“上”或“下”。利用电子自旋来传输和处理信息是自旋电子学的核心原理。这类器件有望成为下一代高速、低能耗电子设备、量子计算机以及先进存储系统的关键基础。

长期以来，在石墨烯中实现量子级别的自旋输运通常需要施加强外部磁场，这不仅限制了其在芯片上的集成应用，也阻碍了相关技术的实际推广。因此，此次无需外加磁场即可实现量子自旋流的研究成果，为未来自旋电子器件的实际应用扫清了一大障碍。

科学家通过将石墨烯与一种磁性二维材料CrPS4堆叠在一起，巧妙地绕过了对外部磁场的依赖。这种磁性层显著改变了石墨烯的电子结构，从而诱导出量子自旋霍尔效应。实验显示，石墨烯中的电子输运行为受到CrPS4的影响，呈现出明显的自旋方向依赖性。

更重要的是，这种由邻近磁性层调控的自旋电流具有“拓扑保护”特性。这意味着即使存在缺陷或无序干扰，自旋信号仍能在数十微米的距离内保持完整，不会在传输过程中丢失信息。这种高度稳定的自旋传输能力对于构建高性能、高可靠性的自旋电子电路至关重要。

这项研究不仅首次证实了无需磁场即可在石墨烯中实现受保护的量子自旋流，也为开发基于石墨烯的超薄自旋电子器件打开了新窗口。未来，这类稳定的自旋电子结构有望用于高效、相干地传输量子信息，并作为量子计算的基本单元，连接多个量子比特，推动新一代信息技术的发展。