2025年，來自荷蘭的一組科學家在量子技術領域取得了重大突破，研發出無需笨重磁鐵且可在室溫下運行的超薄設備。這項發現為創建緊湊、快速且節能的技術開闢了新的視野。
這項發表在《自然通訊》上的研究證實了在石墨烯中存在量子自旋霍爾（QSH）效應，而無需外部磁場。這種效應與被稱為自旋的電子量子力學性質有關，允許使用自旋電子器件傳輸和處理資訊。
在實驗中，科學家們使用了磁性石墨烯，並將其與反鐵磁材料CrPS₄分層。這種組合改變了石墨烯的內部特性，導致了自旋-軌道和交換相互作用，這對於形成拓撲保護的邊緣態至關重要。這些狀態確保電子沿材料邊緣無電阻地移動，其自旋方向相反——這就是量子自旋霍爾效應。
此前，創建此類設備面臨重大挑戰，因為控制電子自旋需要強大的磁場和極低的溫度。然而，新的研究表明，磁性可以在材料內部產生，通過與反鐵磁CrPS₄的鄰近效應。研究人員還指出，即使在室溫下也能觀察到穩定的自旋態，這使得該技術在實際應用中更具實用性。
這項突破驗證了十年前的理論預測，表明石墨烯在特定條件下可以支持穩定的量子自旋態。其中一位研究人員強調，無需使用外部磁場即可創建量子自旋量子位元，為自旋電子學和拓撲物理學開闢了新的機遇。
量子自旋霍爾效應是一種現象，當導體中的電子暴露於垂直於電流的磁場時，會在相對的邊緣經歷不同的電勢（霍爾電壓）。這項發現為未來的自旋電子器件開闢了新的前景。