Năm 2025, một nhóm các nhà khoa học từ Hà Lan đã đạt được một bước đột phá quan trọng trong công nghệ lượng tử, phát triển các thiết bị siêu mỏng hoạt động mà không cần nam châm cồng kềnh và hoạt động ở nhiệt độ phòng. Phát hiện này mở ra những chân trời mới để tạo ra các công nghệ nhỏ gọn, nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications đã xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng Hall spin lượng tử (QSH) trong graphene mà không cần từ trường bên ngoài. Hiệu ứng này, liên quan đến tính chất cơ học lượng tử của electron được gọi là spin, cho phép truyền và xử lý thông tin bằng các thiết bị spintronic.
Trong các thí nghiệm, các nhà khoa học đã sử dụng graphene từ tính, kết hợp nó với một vật liệu phản sắt từ, CrPS₄. Sự kết hợp này đã thay đổi các tính chất bên trong của graphene, dẫn đến các tương tác spin-quỹ đạo và trao đổi, rất quan trọng để hình thành các trạng thái biên được bảo vệ về mặt topo. Các trạng thái này đảm bảo sự di chuyển của các electron dọc theo các cạnh của vật liệu mà không có điện trở, với các spin của chúng được sắp xếp theo các hướng đối diện – đây là hiệu ứng Hall spin lượng tử.
Việc tạo ra các thiết bị như vậy trước đây phải đối mặt với những thách thức đáng kể, vì việc kiểm soát spin electron đòi hỏi từ trường mạnh và nhiệt độ cực thấp. Tuy nhiên, nghiên cứu mới đã chứng minh rằng các tính chất từ tính có thể được tạo ra bên trong vật liệu, bằng cách sử dụng hiệu ứng lân cận với chất phản sắt từ CrPS₄. Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng khả năng quan sát các trạng thái spin ổn định ngay cả ở nhiệt độ phòng giúp công nghệ này thiết thực hơn cho các ứng dụng trong thế giới thực.
Bước đột phá này xác nhận các dự đoán lý thuyết được đưa ra một thập kỷ trước, cho thấy rằng graphene, trong các điều kiện cụ thể, có thể hỗ trợ các trạng thái spin lượng tử ổn định. Một trong những nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng khả năng tạo ra các qubit spin lượng tử mà không cần sử dụng từ trường bên ngoài sẽ mở ra những cơ hội mới cho spintronics và vật lý topo.
Hiệu ứng Hall spin lượng tử là một hiện tượng trong đó các electron trong một chất dẫn điện trải nghiệm các điện thế khác nhau (điện áp Hall) ở các cạnh đối diện khi tiếp xúc với từ trường, vuông góc với dòng điện. Phát hiện này mở ra những triển vọng mới cho các thiết bị spintronic trong tương lai.