Учёные из Делфтского технического университета (Нидерланды) впервые наблюдали квантовые спиновые токи в графене без использования магнитных полей. Эти токи имеют решающее значение для спинтроники — более быстрой и энергоэффективной альтернативы электронике.
Публикация этого открытия в журнале Nature Communications знаменует важный шаг к созданию таких технологий, как квантовые вычисления и усовершенствованные устройства памяти.
Квантовый спиновый эффект Холла в графене
Квантовый физик Талие Гиаси впервые продемонстрировал квантовый спиновый эффект Холла (QSH) в графене без внешних магнитных полей. Эффект QSH заставляет электроны двигаться по краям графена без каких-либо помех, при этом все их спины направлены в одну сторону.
«Спин — это квантово-механическое свойство электронов, которое подобно крошечному магниту, указывающему вверх или вниз», — объясняет Гиаси. «Мы можем использовать спин электронов для передачи и обработки информации в так называемых устройствах спинтроники. Такие схемы обещают стать основой для технологий следующего поколения, включая более быструю и энергоэффективную электронику, квантовые вычисления и усовершенствованные устройства памяти».
Преодоление необходимости внешних полей
Обычно для реализации квантового переноса в графене требуется применение сильных внешних магнитных полей, которые несовместимы с электронными схемами. Однако учёные из лаборатории Ван дер Занте смогли обойти эту необходимость, наложив графен на магнитный материал — CrPS₄. Этот магнитный слой значительно изменил электронные свойства графена, вызвав эффект QSH.
Гиаси говорит: «Мы обнаружили, что спин-транспорт в графене модифицируется соседним CrPS₄ таким образом, что поток электронов в графене становится зависимым от направления спина электронов».
Топологически защищённые спиновые токи
Квантовые спиновые токи, обнаруженные учёными в стопке графен-CrPS₄, являются «топологически» защищёнными. Это означает, что спиновый сигнал остаётся неизменным на расстоянии десятков микрометров без потери спиновой информации в цепи.
«Эти топологически защищённые спиновые токи устойчивы к нарушениям и дефектам, что делает их надёжными даже в несовершенных условиях», — говорит Гиаси.
Сохранение спинового сигнала без каких-либо потерь информации имеет решающее значение для создания спинтронных схем. Это открытие прокладывает путь к созданию сверхтонких спинтронных схем на основе графена, обещая прогресс в технологиях памяти и вычислений следующего поколения.
Наблюдаемые спиновые токи в графене предлагают новый мощный способ эффективной и согласованной передачи квантовой информации через спины электронов. Эти надёжные спинтронные устройства могут служить важными строительными блоками в квантовых вычислениях, обеспечивая бесперебойную связь кубитов внутри квантовых схем.
Предоставлено Делфтским техническим университетом.