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。

代尔夫特理工大学的科学家们在不使用任何磁场的情况下解锁了石墨烯中的关键量子效应，为超薄量子电路铺平了道路。

通过将石墨烯分层在特殊的磁性晶体上，他们产生了沿着材料边缘传播的稳定自旋电流。这些电流通过电子的自旋传输信息，这一功能可以为更快、更节能的电子设备提供动力，并彻底改变量子计算。这种无磁体方法可以构建足够小的强大自旋电子器件，以安装在下一代芯片中。

无磁量子自旋霍尔突破

量子物理学家 Talieh Ghiasi 刚刚证明，石墨烯可以在没有任何外部磁铁的情况下承载量子自旋霍尔 （QSH） 效应。在这种状态下，电子毫不费力地沿着材料的边缘滑动，而它们的所有自旋都指向相同的方向。

“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 Spintronics

到目前为止，研究人员需要庞大的磁场来检测石墨烯中的自旋电流，而这种方法永远不适合日常电子产品。

“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。

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 CrPS₄ 改变，因此石墨烯中的电子流动变得取决于电子的自旋方向

代尔夫特理工大学（TU Delft，荷兰）研                                          究员 Talieh Ghiasi。图片来源：Talieh Ghiasi

拓扑保护的自旋信号

科学家们在石墨烯-CrPS₄ 堆栈中检测到的量子自旋电流受到“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。“这些受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。

通往超薄量子电路的路径

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。