摘要：艺术家对基于石墨烯的自旋电子器件中的量子自旋霍尔效应的印象，集成在芯片中。蓝色和红色球体是沿石墨烯边缘行进的自旋向上和自旋向下电子。石墨烯下面是分层磁性材料 CrPS4。图片来源：ScienceBrush，Talieh Ghiasi

艺术家对基于石墨烯的自旋电子器件中的量子自旋霍尔效应的印象，集成在芯片中。蓝色和红色球体是沿石墨烯边缘行进的自旋向上和自旋向下电子。石墨烯下面是分层磁性材料 CrPS4。图片来源：ScienceBrush，Talieh Ghiasi

来自代尔夫特理工大学（荷兰）的科学家首次在不使用磁场的情况下观察到石墨烯中的量子自旋电流。这些电流对于自旋电子学至关重要，自旋电子学是一种更快、更节能的电子产品替代品。这一突破发表在《自然通讯》上，标志着向量子计算和先进存储设备等技术迈出了重要一步。

量子物理学家 Talieh Ghiasi 首次在没有任何外部磁场的情况下证明了石墨烯中的量子自旋霍尔 （QSH） 效应。QSH 效应使电子沿着石墨烯的边缘移动而不会受到任何干扰，它们的所有自旋都指向同一方向。“自旋是电子的一种量子力学特性，它就像一个由电子携带的微小磁铁，指向上方或下方，”Ghiasi 解释说。“我们可以利用电子的自旋在所谓的自旋电子学器件中传输和处理信息。这种电路有望开发下一代技术，包括更快、更节能的电子产品、量子计算和先进的存储设备。

片上集成

在石墨烯中实现量子传输通常需要施加与电子电路不兼容的大外部磁场。“特别是，石墨烯中量子自旋电流的检测一直需要大磁场，而这些磁场几乎不可能在片上集成。因此，我们现在无需外部磁场即可实现量子自旋电流，这一事实为这些量子自旋电子器件的未来应用开辟了道路，“Ghisi 说。

石墨烯中的自旋输送

Van der Zant 实验室的科学家们通过将石墨烯分层在磁性材料 CrPS₄ 上，从而绕过了对外部场的需求。这个磁性层显着改变了石墨烯的电子特性，从而在石墨烯中产生了 QSH 效应。Ghiasi：“我们观察到石墨烯中的自旋传输被邻近的 CrPS 修饰4使得石墨烯中的电子流动变得取决于电子的自旋方向。

保留自旋信息

科学家在石墨烯-CrPS 中检测到的量子自旋电流4堆栈受到“拓扑”保护，这意味着自旋信号在数十微米长的距离上保持完整，而不会丢失电路中的自旋信息。“这些拓扑保护的自旋电流对疾病和缺陷具有鲁棒性，即使在不完美的条件下也能可靠，“Ghiasi 说。在不丢失任何信息的情况下保留自旋信号对于构建自旋电子电路至关重要。

这一发现为基于石墨烯的超薄自旋电子电路铺平了道路，有望为下一代内存和计算技术带来进步。在石墨烯中观察到的自旋电流为通过电子自旋实现量子信息的高效和连贯传输提供了一条强大的新途径。这些强大的自旋电子器件可以作为量子计算中的重要构建块，在量子电路中将量子比特无缝连接在一起。

来源：人工智能学家