In 2025 behaalde een team van wetenschappers uit Nederland een belangrijke doorbraak in kwantumtechnologie, door ultradunne apparaten te ontwikkelen die zonder omvangrijke magneten functioneren en bij kamertemperatuur werken. Deze ontdekking opent nieuwe horizonten voor het creëren van compacte, snelle en energie-efficiënte technologieën.
Het onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, bevestigde het bestaan van het kwantum spin Hall (QSH) effect in grafeen zonder de noodzaak van een extern magnetisch veld. Dit effect, gerelateerd aan de kwantummechanische eigenschap van elektronen die bekend staat als spin, maakt de transmissie en verwerking van informatie mogelijk met behulp van spintronische apparaten.
Tijdens de experimenten gebruikten wetenschappers magnetisch grafeen, dat ze combineerden met een antiferromagnetisch materiaal, CrPS₄. Deze combinatie veranderde de interne eigenschappen van grafeen, wat leidde tot spin-orbitale en uitwisselingsinteracties, cruciaal voor het vormen van topologisch beschermde randtoestanden. Deze toestanden zorgen voor de beweging van elektronen langs de randen van het materiaal zonder weerstand, met hun spins in tegengestelde richtingen – dit is het kwantum spin Hall effect.
De creatie van dergelijke apparaten stond voorheen voor aanzienlijke uitdagingen, aangezien het controleren van de elektronen spin krachtige magnetische velden en extreem lage temperaturen vereiste. Het nieuwe onderzoek heeft echter aangetoond dat magnetische eigenschappen intern in het materiaal kunnen worden gecreëerd, met behulp van het nabijheidseffect met het antiferromagnetische CrPS₄. Onderzoekers hebben ook opgemerkt dat de mogelijkheid om stabiele spintoestanden zelfs bij kamertemperatuur te observeren, de technologie praktischer maakt voor toepassingen in de echte wereld.
Deze doorbraak valideert theoretische voorspellingen die een decennium geleden zijn gedaan, waaruit blijkt dat grafeen, onder specifieke omstandigheden, stabiele kwantum spintoestanden kan ondersteunen. Een van de onderzoekers benadrukte dat de mogelijkheid om kwantum spin qubits te creëren zonder het gebruik van externe magnetische velden, nieuwe mogelijkheden opent voor spintronica en topologische fysica.
Het kwantum spin Hall effect is een fenomeen waarbij elektronen in een geleider verschillende potentialen (Hall-spanning) ervaren op tegenovergestelde randen wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld, loodrecht op de stroom. Deze ontdekking opent nieuwe perspectieven voor spintronische apparaten in de toekomst.