在探索超越传统电子学边界的征途中，自旋电子学（Spintronics）作为一股潜力无限的革命性力量，正逐步揭开其神秘面纱。这一领域致力于挖掘电子除电荷外的另一宝贵属性——自旋，意图以此为基础构建出运算速度更快、能效更高的信息处理技术。然而，长久以来，一个重大难题限制了自旋电子学从实验室迈向实际应用的步伐。近期，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的科研团队取得了突破性进展。
2025年6月24日，《自然·通讯》期刊上发表了一项重要研究，揭示了该团队如何在石墨烯这一“神奇材料”中，无需借助任何外部磁场，便稳定地激发了并传输了关键的自旋电流量子效应。研究团队巧妙地将石墨烯与一种特殊的二维磁性晶体结合，打造出一条几乎无损耗、受拓扑保护的“量子自旋通道”。这一成就为将高性能自旋电子器件微型化并集成至芯片上铺平了道路，对量子计算及未来超低功耗电子技术的发展具有深远影响。
自半导体晶体管诞生以来，现代电子学遵循摩尔定律，通过不断缩小晶体管尺寸来增强计算能力。然而，这一趋势正逼近物理极限，能量消耗和散热难题愈发凸显。科学家们因此转向电子的自旋属性，这一量子力学特性可将电子视为拥有“上”或“下”指向的微型罗盘，用以代表二进制信息中的“0”和“1”。自旋电子学的核心理念即在于此。
与依赖电子电荷流动的传统电子学相比，操控自旋所需能量更低，速度更快。然而，电子自旋状态极易在传输过程中因材料内部杂质或晶格振动的干扰而“迷失”，导致信息丢失。因此，如何在长距离内无损地保护和传输自旋信息，成为实现实用化自旋电子学的关键挑战。
大自然为解决这一难题提供了“量子自旋霍尔效应”（Quantum Spin Hall, QSH）这一近乎完美的方案。该效应存在于拓扑绝缘体材料中，电流通过这些材料时，其内部绝缘，边缘则形成导电通道。这些边缘通道会对电子自旋进行“分类”，自旋向上的电子沿一个边缘朝一个方向运动，自旋向下的电子则沿另一边缘朝相反方向运动。这些边缘通道如同受拓扑保护的量子通道，确保电子在传输过程中不受材料内部缺陷的影响，从而能够长距离保持自旋方向不变。
石墨烯，这一单层碳原子构成的二维材料，因其卓越的电子学特性被视为构建自旋电子器件的理想之选。然而，纯净石墨烯并非拓扑绝缘体，无法自发产生量子自旋霍尔效应。以往，科学家们需施加高强度外部磁场才能在石墨烯中诱导出类似效应。这种对巨型磁铁的依赖，使得器件小型化并集成至芯片上成为一项艰巨任务。
代尔夫特理工大学的Talieh Ghiasi博士领导的研究团队，采用了一种创新策略，摒弃了外部磁铁，而是创造了一种微观“三明治”结构。他们利用范德华力将单层石墨烯精确堆叠在名为四硫代磷酸铬（CrPS₄）的二维磁性晶体薄片之上。这一设计利用了磁近邻效应，即当石墨烯与磁性CrPS₄晶体紧密接触时，后者的磁性会“渗透”至石墨烯层中，诱导出实现量子自旋霍尔效应所需的特殊能带结构。
实验结果证实了这一策略的有效性。研究团队在“三明治”结构的石墨烯边缘探测到了清晰的、由自旋决定的、受拓扑保护的边缘电流。这些自旋信号在长达数十微米的距离上保持完整，这在芯片尺度上已是一个显著成就。尤为重要的是，这一切均在无外部磁场的条件下实现。
Talieh Ghiasi解释道：“我们发现，邻近的CrPS₄改变了石墨烯中的自旋传输，使得电子流动取决于其自旋方向。无需外部磁场即可实现量子自旋电流，这为量子自旋电子器件的未来应用开辟了新途径。”
这项在荷兰取得的突破性研究，成功扫清了石墨烯中实现实用自旋电子学的一个核心障碍。通过深入挖掘材料本身的量子相互作用，而非依赖笨重的外部磁场，为构建超薄、紧凑、可集成的自旋电子电路奠定了坚实基础。未来，这些受拓扑保护的自旋通道有望作为高效、抗干扰的“量子总线”，在量子处理器内部连接相距较远的量子比特，解决大规模、可扩展量子计算机面临的关键挑战。同时，基于无磁自旋效应的逻辑门和存储单元，或将引领功耗极低、速度极快的下一代信息技术。
