Квантовый физик Талия Гиаси впервые продемонстрировала квантовый спиновый эффект Холла (QSH) в графене без каких-либо внешних магнитных полей. Эффект QSH заставляет электроны двигаться вдоль краев графена без каких-либо нарушений, причем все их спины направлены в одном направлении. "Спин - это квантово-механическое свойство электронов, которое подобно крошечному магниту, переносимому электронами, направленному вверх или вниз", - объясняет Гиаси. "Мы можем использовать вращение электронов для передачи и обработки информации в так называемых устройствах спинтроники. Такие схемы открывают перспективы для технологий следующего поколения, включая более быструю и энергоэффективную электронику, квантовые вычисления и усовершенствованные устройства памяти".

Интеграция на кристалле

Реализация квантового переноса в графене обычно требует применения больших внешних магнитных полей, которые несовместимы с электронными схемами. "В частности, для обнаружения квантовых спиновых токов в графене всегда требовались большие магнитные поля, которые практически невозможно интегрировать на чипе. Таким образом, тот факт, что сейчас мы достигаем квантовых спиновых токов без необходимости во внешних магнитных полях, открывает путь для будущих применений этих квантовых спинтронных устройств", - говорит Гиаси.

Спиновый перенос в графене

Ученые из лаборатории Ван дер Занта смогли обойти необходимость во внешних полях, наложив графен поверх магнитного материала: CRPS₄. Этот магнитный слой значительно изменил электронные свойства графена, вызвав в нем эффект QSH. Гиаси: "Мы наблюдали, что спиновый перенос в графене модифицируется соседними CrPS ₄ таким образом, что поток электронов в графене становится зависимым от направления вращения электронов".

Сохранение информации о вращении

Квантовые спиновые токи, которые ученые обнаруживают в стеке graphene-CrPS ₄, "топологически" защищены, что означает, что спиновый сигнал распространяется на расстояния в десятки микрометров без потери спиновой информации в цепи. "Эти топологически защищенные спиновые токи устойчивы к нарушениям и дефектам, что делает их надежными даже в несовершенных условиях", - говорит Гиаси. Сохранение спинового сигнала без какой-либо потери информации жизненно важно для построения спинтронных схем.

Это открытие прокладывает путь к созданию ультратонких спинтронных схем на основе графена, многообещающих достижений в области памяти следующего поколения и вычислительных технологий. Наблюдаемые спиновые токи в графене предлагают новый мощный способ эффективной и когерентной передачи квантовой информации через спины электронов. Эти надежные спинтронные устройства могли бы служить важными строительными блоками в квантовых вычислениях, плавно соединяя кубиты вместе в рамках квантовых цепей.