在探索超越傳統電子學邊界的征途中，自旋電子學（Spintronics）作為一股潛力無限的革命性力量，正逐步揭開其神秘面紗。這一領域致力于挖掘電子除電荷外的另一寶貴屬性——自旋，意圖以此為基礎構建出運算速度更快、能效更高的信息處理技術。然而，長久以來，一個重大難題限制了自旋電子學從實驗室邁向實際應用的步伐。近期，荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）的科研團隊取得了突破性進展。

2025年6月24日，《自然·通訊》期刊上發表了一項重要研究，揭示了該團隊如何在石墨烯這一“神奇材料”中，無需借助任何外部磁場，便穩定地激發了并傳輸了關鍵的自旋電流量子效應。研究團隊巧妙地將石墨烯與一種特殊的二維磁性晶體結合，打造出一條幾乎無損耗、受拓撲保護的“量子自旋通道”。這一成就為將高性能自旋電子器件微型化并集成至芯片上鋪平了道路，對量子計算及未來超低功耗電子技術的發展具有深遠影響。

自半導體晶體管誕生以來，現代電子學遵循摩爾定律，通過不斷縮小晶體管尺寸來增強計算能力。然而，這一趨勢正逼近物理極限，能量消耗和散熱難題愈發凸顯。科學家們因此轉向電子的自旋屬性，這一量子力學特性可將電子視為擁有“上”或“下”指向的微型羅盤，用以代表二進制信息中的“0”和“1”。自旋電子學的核心理念即在于此。

與依賴電子電荷流動的傳統電子學相比，操控自旋所需能量更低，速度更快。然而，電子自旋狀態極易在傳輸過程中因材料內部雜質或晶格振動的干擾而“迷失”，導致信息丟失。因此，如何在長距離內無損地保護和傳輸自旋信息，成為實現實用化自旋電子學的關鍵挑戰。

大自然為解決這一難題提供了“量子自旋霍爾效應”（Quantum Spin Hall, QSH）這一近乎完美的方案。該效應存在于拓撲絕緣體材料中，電流通過這些材料時，其內部絕緣，邊緣則形成導電通道。這些邊緣通道會對電子自旋進行“分類”，自旋向上的電子沿一個邊緣朝一個方向運動，自旋向下的電子則沿另一邊緣朝相反方向運動。這些邊緣通道如同受拓撲保護的量子通道，確保電子在傳輸過程中不受材料內部缺陷的影響，從而能夠長距離保持自旋方向不變。

石墨烯，這一單層碳原子構成的二維材料，因其卓越的電子學特性被視為構建自旋電子器件的理想之選。然而，純凈石墨烯并非拓撲絕緣體，無法自發產生量子自旋霍爾效應。以往，科學家們需施加高強度外部磁場才能在石墨烯中誘導出類似效應。這種對巨型磁鐵的依賴，使得器件小型化并集成至芯片上成為一項艱巨任務。

代爾夫特理工大學的Talieh Ghiasi博士領導的研究團隊，采用了一種創新策略，摒棄了外部磁鐵，而是創造了一種微觀“三明治”結構。他們利用范德華力將單層石墨烯精確堆疊在名為四硫代磷酸鉻（CrPS?）的二維磁性晶體薄片之上。這一設計利用了磁近鄰效應，即當石墨烯與磁性CrPS?晶體緊密接觸時，后者的磁性會“滲透”至石墨烯層中，誘導出實現量子自旋霍爾效應所需的特殊能帶結構。

實驗結果證實了這一策略的有效性。研究團隊在“三明治”結構的石墨烯邊緣探測到了清晰的、由自旋決定的、受拓撲保護的邊緣電流。這些自旋信號在長達數十微米的距離上保持完整，這在芯片尺度上已是一個顯著成就。尤為重要的是，這一切均在無外部磁場的條件下實現。

Talieh Ghiasi解釋道：“我們發現，鄰近的CrPS?改變了石墨烯中的自旋傳輸，使得電子流動取決于其自旋方向。無需外部磁場即可實現量子自旋電流，這為量子自旋電子器件的未來應用開辟了新途徑。”

這項在荷蘭取得的突破性研究，成功掃清了石墨烯中實現實用自旋電子學的一個核心障礙。通過深入挖掘材料本身的量子相互作用，而非依賴笨重的外部磁場，為構建超薄、緊湊、可集成的自旋電子電路奠定了堅實基礎。未來，這些受拓撲保護的自旋通道有望作為高效、抗干擾的“量子總線”，在量子處理器內部連接相距較遠的量子比特，解決大規模、可擴展量子計算機面臨的關鍵挑戰。同時，基于無磁自旋效應的邏輯門和存儲單元，或將引領功耗極低、速度極快的下一代信息技術。