Физики сломали главное правило квантовой физики — теперь всё изменится

Учёные совершили настоящий прорыв в области квантовых технологий, разработав ультратонкие устройства, которые работают без громоздких магнитов и способны функционировать при обычной комнатной температуре.

Этот успех, достигнутый командой исследователей из Нидерландов, стал возможен благодаря использованию магнитного графена и открывает новые горизонты для создания компактных, быстрых и энергоэффективных технологий будущего.

В ходе экспериментов, результаты которых опубликованы в журнале Nature Communications, исследователи подтвердили существование квантового спинового эффекта Холла (QSH) в графене, устранив необходимость во внешнем магнитном поле. Этот эффект, связанный с квантово-механическим свойством электронов, известным как спин, позволяет передавать и обрабатывать информацию с помощью так называемых спинтронных устройств.

Один из участников исследования отметил, что спин можно представить как крошечный магнит, который переносится электронами и может быть направлен вверх или вниз, что делает его перспективным инструментом для технологий следующего поколения, включая квантовые вычисления и усовершенствованные системы памяти.

Ключевым достижением стало создание особой структуры, в которой графен был нанесён на антиферромагнитный материал CrPS₄. Эта комбинация позволила изменить внутренние свойства графена, вызвав спин-орбитальные и обменные взаимодействия, необходимые для формирования топологически защищённых краевых состояний. Такие состояния обеспечивают движение электронов по краям материала без сопротивления, при этом их спины направлены в противоположные стороны — это и есть отличительная черта квантового спинового эффекта Холла.

До сих пор создание подобных устройств сталкивалось с серьёзными трудностями, так как для управления спином электронов требовались мощные магнитные поля и экстремально низкие температуры.

Однако новая разработка показала, что магнитные свойства можно создать непосредственно внутри материала, используя эффект близости с магнитным полупроводником CrPS₄. Исследователи подчеркнули, что им удалось наблюдать устойчивые спиновые состояния даже при комнатной температуре, что делает технологию более практичной для реального применения.

Для эксперимента команда создала многослойную структуру, в которой графен был помещён между слоем CrPS₄ и защитным покрытием из гексагонального нитрида бора. Используя современные методы измерения, учёные подтвердили, что такая конфигурация вызывает изменения в структуре графена, создавая условия для формирования квантовых краевых состояний. Важным доказательством стало измерение проводимости устройства, которая достигла предсказанного теоретического значения, характерного для QSH-состояний, даже без внешнего магнитного поля.

Кроме того, исследователи зафиксировали ещё одно квантовое явление — аномальный эффект Холла, который также сохранялся при комнатной температуре. Это явление, связанное со спином, подтвердило наличие магнитных и спин-орбитальных взаимодействий в системе. Сосуществование двух квантовых эффектов в одной структуре стало наглядной демонстрацией возможностей, которые открываются на стыке спинтроники и топологической физики.

Команда отметила, что их разработка позволяет обойти одно из главных препятствий на пути к практическому использованию квантовых технологий — необходимость в сложных условиях, таких как сильные магнитные поля или криогенные температуры.

Поскольку квантовые эффекты в их системе возникают исключительно благодаря свойствам материалов, устройства могут быть значительно уменьшены в размерах, что делает их идеальными для интеграции в энергоэффективные квантовые схемы, логические элементы и даже системы квантовой памяти.

Исследователи выразили мнение, что их работа не только углубляет понимание квантовых состояний в графене, но и прокладывает путь к созданию двумерных топологических устройств, способных работать в реальных условиях. Однако они также указали на необходимость дальнейших исследований, чтобы улучшить характеристики устройств, в частности, оптимизировать спин-орбитальные взаимодействия и снизить уровень помех в графеновом канале.

Этот прорыв подтверждает теоретические предположения, сделанные почти два десятилетия назад, о том, что графен при определённых условиях может поддерживать устойчивые квантовые спиновые состояния.

Один из участников исследования подчеркнул, что возможность создавать квантовые спиновые токи без использования внешних магнитных полей открывает новые перспективы для применения спинтронных устройств в будущем.

Уточнения

Эффект Холла — это возникновение в электрическом проводнике разности потенциалов (напряжения Холла) на краях образца, помещённого в поперечное магнитное поле, при протекании тока, перпендикулярного полю.