Im Jahr 2025 gelang einem Team von Wissenschaftlern aus den Niederlanden ein bedeutender Durchbruch in der Quantentechnologie. Sie entwickelten ultradünne Geräte, die ohne sperrige Magnete funktionieren und bei Raumtemperatur betrieben werden können. Diese Entdeckung eröffnet neue Horizonte für die Schaffung kompakter, schneller und energieeffizienter Technologien.
Die in Nature Communications veröffentlichte Forschung bestätigte die Existenz des Quanten-Spin-Hall-Effekts (QSH) in Graphen, ohne dass ein externes Magnetfeld benötigt wird. Dieser Effekt, der mit der quantenmechanischen Eigenschaft der Elektronen, dem Spin, zusammenhängt, ermöglicht die Übertragung und Verarbeitung von Informationen mithilfe von spintronischen Bauelementen.
Während der Experimente verwendeten die Wissenschaftler magnetisches Graphen, das sie mit einem antiferromagnetischen Material, CrPS₄, beschichteten. Diese Kombination veränderte die inneren Eigenschaften des Graphens und führte zu Spin-Bahn- und Austauschwechselwirkungen, die für die Bildung topologisch geschützter Randzustände entscheidend sind. Diese Zustände gewährleisten die Bewegung von Elektronen entlang der Ränder des Materials ohne Widerstand, wobei ihre Spins in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind – dies ist der Quanten-Spin-Hall-Effekt.
Die Herstellung solcher Geräte war zuvor mit erheblichen Herausforderungen verbunden, da die Steuerung des Elektronenspins starke Magnetfelder und extrem niedrige Temperaturen erforderte. Die neue Forschung hat jedoch gezeigt, dass magnetische Eigenschaften intern innerhalb des Materials erzeugt werden können, indem der Nähe-Effekt mit dem antiferromagnetischen CrPS₄ genutzt wird. Forscher haben auch festgestellt, dass die Fähigkeit, stabile Spin-Zustände selbst bei Raumtemperatur zu beobachten, die Technologie für reale Anwendungen praktikabler macht.
Dieser Durchbruch bestätigt theoretische Vorhersagen, die vor einem Jahrzehnt gemacht wurden, und deutet darauf hin, dass Graphen unter bestimmten Bedingungen stabile Quanten-Spin-Zustände unterstützen kann. Einer der Forscher betonte, dass die Fähigkeit, Quanten-Spin-Qubits ohne den Einsatz externer Magnetfelder zu erzeugen, neue Möglichkeiten für die Spintronik und die topologische Physik eröffnet.
Der Quanten-Spin-Hall-Effekt ist ein Phänomen, bei dem Elektronen in einem Leiter unterschiedliche Potentiale (Hall-Spannung) an gegenüberliegenden Rändern erfahren, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind, das senkrecht zum Strom steht. Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven für spintronische Geräte in der Zukunft.