W 2025 roku zespół naukowców z Holandii dokonał znaczącego przełomu w technologii kwantowej, opracowując ultracienkie urządzenia, które działają bez ciężkich magnesów i w temperaturze pokojowej. Odkrycie to otwiera nowe horyzonty dla tworzenia kompaktowych, szybkich i energooszczędnych technologii.
Badania, opublikowane w Nature Communications, potwierdziły istnienie efektu kwantowego spinu Halla (QSH) w grafenie bez potrzeby stosowania zewnętrznego pola magnetycznego. Efekt ten, związany z kwantowo-mechaniczną właściwością elektronów znaną jako spin, umożliwia transmisję i przetwarzanie informacji za pomocą urządzeń spintronicznych.
Podczas eksperymentów naukowcy wykorzystali magnetyczny grafen, warstwując go z antyferromagnetycznym materiałem, CrPS₄. Ta kombinacja zmieniła wewnętrzne właściwości grafenu, prowadząc do interakcji spinowo-orbitalnych i wymiany, kluczowych dla tworzenia topologicznie chronionych stanów brzegowych. Stany te zapewniają ruch elektronów wzdłuż krawędzi materiału bez oporu, z ich spinami ustawionymi w przeciwnych kierunkach – to efekt kwantowego spinu Halla.
Tworzenie takich urządzeń wcześniej napotykało na znaczne wyzwania, ponieważ kontrola spinu elektronów wymagała silnych pól magnetycznych i ekstremalnie niskich temperatur. Jednak nowe badania wykazały, że właściwości magnetyczne można wytworzyć wewnętrznie w materiale, wykorzystując efekt bliskości z antyferromagnetycznym CrPS₄. Naukowcy zauważyli również, że możliwość obserwacji stabilnych stanów spinowych nawet w temperaturze pokojowej sprawia, że technologia ta jest bardziej praktyczna w zastosowaniach rzeczywistych.
Ten przełom potwierdza teoretyczne przewidywania sprzed dekady, wskazujące, że grafen, w określonych warunkach, może obsługiwać stabilne kwantowe stany spinowe. Jeden z badaczy podkreślił, że możliwość tworzenia kwantowych qubitów spinowych bez użycia zewnętrznych pól magnetycznych otwiera nowe możliwości dla spintroniki i fizyki topologicznej.
Efekt kwantowego spinu Halla to zjawisko, w którym elektrony w przewodniku doświadczają różnych potencjałów (napięcie Halla) na przeciwnych krawędziach po wystawieniu na działanie pola magnetycznego, prostopadłego do prądu. Odkrycie to otwiera nowe perspektywy dla urządzeń spintronicznych w przyszłości.