Извършена е важна крачка към дългоочакваната мечта за създаването на ултратънки, магнитно контролирани квантови устройства, които не се нуждаят от обемисти магнити, за да функционират.
В революционно проучване, изследователски екип, ръководен от физици от Технологичния университет в Делфт, Нидерландия, експериментално потвърждават неуловимия квантов спинов ефект на Хол (QSH) в магнитния графен, елиминирайки необходимостта от външно магнитно поле. Това проучване представлява значителен напредък в нашето разбиране за квантовата физика, откривайки нови възможности за бъдещи технологии.
Това първо по рода си постижение означава, че бъдещите квантови схеми биха могли да бъдат по-малки, по-бързи и далеч по-практични от всякога.
"Спинът е квантово-механично свойство на електроните, което е като малък магнит, носен от електроните, насочен нагоре или надолу", обяснява в изявление водещият автор и изследовател в Технологичния университет в Делфт и Харвардския университет, д-р Талиех Гиаси (Talieh Ghiasi). "Можем да използваме спина на електроните, за да прехвърляме и обработваме информация в така наречените спинтронни устройства."
"Такива схеми са обещаващи за технологии от следващо поколение, включително по-бърза и по-енергийно ефективна електроника, квантови изчисления и усъвършенствани устройства с памет."
Този пробив не само потвърждава теоретичните прогнози, но и ни тласка към бъдеще на напреднали и ефикасни технологии.
Констатациите, публикувани в Nature Communications, описват подробно как екипът успешно е индуцирал квантово спиново състояние на Хол в графен, като го е наслоил върху ван дер Ваалсов антиферомагнитен материал с формула CrPS₄.
Тази слоеста структура променя фундаментално лентовата структура на графена, въвеждайки спин-орбитални и обменни взаимодействия, които са достатъчно силни, за да доведат до екзотични, топологично защитени гранични състояния. Тези специални състояния позволяват на електроните да се движат по ръбовете на материала без съпротивление и със спиновете си, заключени в противоположни посоки – отличителен белег на QSH поведението.
В продължение на години учените се стремят да използват спина – присъщо свойство на електроните – вместо заряда, за да създадат "спинтронови" устройства от следващо поколение. Постигането на кохерентен спинов транспорт на дълги разстояния – състояние, при което спиновете на електроните остават във фиксирана връзка на голямо разстояние – обаче е изключително трудно.
Конвенционалните методи изискват силни магнитни полета, за да се разделят електронните спинове и да се създадат необходимите квантови гранични състояния.
Това проучване показва, че магнетизмът може да произлиза отвътре. Чрез внимателен избор на магнитен партньорски материал за графена – по-специално CrPS₄ – изследователите индуцират както магнетизъм, така и спин-орбитално свързване в самия графен. В резултат на това те постигат спин-поляризирани, спирални гранични състояния, които се запазеат дори при стайна температура.
"Откриването на QSH състояния при нулеви външни магнитни полета, заедно със сигнала на AH [аномален ефект на Хол], който се запазва до стайна температура, отваря пътя за практически приложения на магнитния графен в квантовите спинтронни схеми", пишат изследователите в изследването.
Този пробив проправя пътя за нова ера на практични и ефикасни квантови технологии.
Експерименталната установка включва нанасяне на монослоен графен върху люспи от CrPS₄ и капсулирането му с хексагонален боров нитрид (hBN). CrPS₄ е магнитен полупроводник, стабилен на въздух, с температура на Неел около 38 K и силно междуслойно антиферомагнитно свързване.
Използвайки усъвършенствани измервания на електрическия транспорт, екипът демонстрира, че тази конфигурация индуцира разпръснати потенциални и спин-орбитални взаимодействия в графена. Тези промени отварят топологична празнина в обема на графена, позволявайки образуването на без празнини, "спирални" гранични състояния – по същество създавайки квантов спинов изолатор на Хол.
Фоказателстватс за състоянието са получени чрез измерване на проводимостта на устройството близо до точката на неутралност на заряда при нулеви магнитни полета. Проводимостта се задържа на плато точно при 2e²/h – което съответства на теоретичните прогнози за QSH състояния, при които два спин-поляризирани канала се разпространяват в противоположни посоки по противоположните ръбове на устройството без разсейване на топлинна енерия.
Изследователите потвърждават тези наблюдения при различни геометрии на устройствата и конфигурации на сондиране, изключвайки конвенционалните транспортни механизми. Те също така наблюдават голям аномалният ефект на Хол (AH) – отделен квантов феномен, свързан със спина – който се запазва дори при стайна температура, допълнително потвърждавайки наличието на индуцирани магнитни и спин-орбитални взаимодействия в системата.
Съвместното съществуване на QSH и AH ефекти в една единствена структура на основата на графен е мощна демонстрация на това, което е възможно, когато спинтронните принципи се срещнат с топологичната физика. Най-важното е, че тази работа заобикаля една от най-големите пречки пред практическото приложение: необходимостта от външни магнитни полета или криогенна среда.
Тъй като наблюдаваните квантови ефекти произтичат единствено от свойствата на материала, проектирани използвайки взаимодействието със съседните материали, устройствата могат да бъдат драстично намалени – идеални за интегриране в квантови схеми с ниска мощност, логически портове и дори отказоустойчиви архитектури на квантова памет.
Изследователите заключават, че тяхната система не само задълбочава разбирането ни за квантовите гранични състояния в графена, но и демонстрира практичен път към разработване на двуизмерни топологични устройства, способни да работят в реални условия на околната среда.
Въпреки че експериментите отбелязват важен етап, изследователите остават предпазливи относно предизвикателствата, които предстоят. Например, фината настройка на силата на спин-орбиталните взаимодействия и минимизирането на безпорядъка в графеновия канал ще бъдат от съществено значение за подобряване на производителността на устройството.
Въпреки това постижението потвърждава теоретичните прогнози, направени преди близо две десетилетия, че графенът, когато е подходящо модифициран, може да бъде основа на стабилни квантови спинови състояния на Хол. Тъй като д-р Гиаси и колегите му продължават да усъвършенстват тези устройства, техните изследвания могат да предвещават ново поколение спинтронни и квантово-логически технологии за стайна температура .
"Откриването на квантови спинови токове в графена винаги е изисквало големи магнитни полета, които са практически невъзможни за интегриране в чипа", коментира д-р Гиаси. "По този начин фактът, че сега постигаме квантови спинови токове без нужда от външни магнитни полета, отваря пътя за бъдещи приложения на тези квантови спинтронни устройства."
Справка: Ghiasi, T.S., Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Quantum spin Hall effect in magnetic graphene. Nat Commun 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1
Източник: Scientists Achieve the “Impossible,” Unlocking Room-Temperature Quantum Circuits Using Magnetic Graphene, The Debrief.
Още по темата
Физика
Открити са едномерни ениони. Екзотичните квазичастици са в най-студените места на Вселената
Физика
Особените свойства на бисмута
Физика
Квантов пробив може да доведе до устойчива хирална спинтроника
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Как „зеленото побутване“ стимулира устойчивите избори на хората
helper68
Натурални суперколайдери: Черните дупки могат да се използват ускорители на частици
dolivo
Учени възпроизвеждат сияйното египетско синьо, озарявало гробниците на фараоните
dolivo
Революция в залесяването: Японски дронове с изкуствен интелект засаждат дръвчета 10 пъти по-бързо от хората