2025年、オランダの科学者チームは、かさばる磁石なしで機能し、室温で動作する超薄型デバイスを開発し、量子技術において重要なブレークスルーを達成しました。この発見は、コンパクトで高速、かつエネルギー効率の高い技術を創造するための新たな地平を開きます。
Nature Communicationsに掲載された研究は、外部磁場を必要とせずにグラフェンにおける量子スピンホール（QSH）効果の存在を確認しました。この効果は、スピンとして知られる電子の量子力学的特性に関連しており、スピントロニクスデバイスを使用して情報の伝送と処理を可能にします。
実験中、科学者たちは磁性グラフェンを使用し、それを反強磁性材料CrPS₄で層状にしました。この組み合わせは、グラフェンの内部特性を変化させ、トポロジカルに保護されたエッジ状態の形成に不可欠なスピン軌道相互作用と交換相互作用をもたらしました。これらの状態は、材料の端に沿って電子が抵抗なく移動することを保証し、そのスピンは反対方向に整列します。これが量子スピンホール効果です。
このようなデバイスの作成は以前、電子スピンの制御に強力な磁場と極低温が必要であったため、大きな課題に直面していました。しかし、新しい研究では、反強磁性CrPS₄との近接効果を利用して、磁気特性を材料内部で生成できることが示されました。研究者たちはまた、室温でも安定したスピン状態を観察できる能力が、この技術を現実世界のアプリケーションでより実用的にしていると指摘しています。
このブレークスルーは、特定の条件下でグラフェンが安定した量子スピン状態をサポートできることを示唆する、10年前に立てられた理論的予測を検証します。研究者の1人は、外部磁場を使用せずに量子スピンキュービットを作成できる能力が、スピントロニクスとトポロジカル物理学に新たな機会を開くと強調しました。
量子スピンホール効果は、導体内の電子が、電流に垂直な磁場にさらされたときに、反対側のエッジで異なる電位（ホール電圧）を経験する現象です。この発見は、将来のスピントロニクスデバイスに新たな展望を開きます。