Графен на протяжении последних двух десятилетий привлекает неослабевающее внимание исследователей благодаря своим уникальным электронным и спиновым свойствам. Одной из самых перспективных задач является создание условий для топологически защищённой передачи спина, обладающей высокой когерентностью и устойчивостью к внешним шумам и рассеяниям. В этом контексте квантовый эффект Холла с учетом спина, или квантовый спин-Холл (QSH), представляет собой фундаментальный феномен, обеспечивающий существование безрассеянных, спинополюсных краевых состояний в двумерных материалах. Открытие и реализация данного эффекта в магнитном графене без применения сильных внешних магнитных полей становится важнейшей задачей на пути к спинтронным технологиям нового поколения. Основополагающая идея достижения QSH-эффекта в графене базируется на модификации его электронной структуры путём индуцирования спин-орбитального взаимодействия и обменных взаимодействий за счёт сродства — «проксимити эффекта» — с другими двумерными магнитными материалами, такими как CrPS4.
Этот слой выступает в роли межслойного антиферромагнетика с определённой температурой Неля около 38 К, позволяя контролировать магнитное состояние графена в непосредственной близости без прямого внедрения магнитных примесей или нарушения кристаллической решетки графена. Эксперименты с ван-дер-ваальсовыми гетероструктурами графена и CrPS4 показали, что магнетизация CPS проявляется в аномальном Холловском эффекте (AH), который стабильно наблюдается даже при комнатной температуре, что говорит о значительной индуцированной спиново-орбитальной и обменной взаимосвязи в графене. Спин-орбитальное взаимодействие является ключевым элементом, способствующим формированию топологического непроводящего интервала в объёме графена, на границах которого возникают спинополюсные краевые состояния. Такие состояния называются геликальными, так как противоположные направления движения электронов коррелируют с их спиновым направлением. При этом топологическая защита данных состояний исключает обратное рассеяние с сохранением спина, что способствует долговременной когерентной передаче спинового сигнала по краю материала.
Значимое отличие таких состояний от обычных кристаллографических поверхностных состояний состоит в их устойчивости к дефектам и шумам, снижая потери при передаче информации. Практически важным открытием явилась возможность наблюдения таких QSH-состояний при нулевом внешнем магнитном поле — условии, крайне необходимом для масштабируемых и энергосберегающих спинтронных устройств. Стоит отметить, что достижение данных состояний в графене традиционно требовало больших магнитных полей для разделения спиновых полос (Зеемановское расщепление), что технологически сложно реализуемо и энергозатратно. В гетероструктуре графен-CrPS4 магнитное взаимодействие и спин-орбитальная связь возникают изнутри, позволяя наличие QSH-эффекта на стадии эксперимента без магнитного поля, что можно считать значительным прорывом. На уровне экспериментов в такой структуре было зафиксировано несколько важных характеристик.
Во-первых, акустические измерения аномального Холловского сопротивления позволили подтвердить влияние магнитного слоя CPS на электронную транспортную политику графена. Резкие изменения транспортивных свойств графена при прохождении через поле спин-флоп перехода CPS выявляют связь между магнитным состоянием подложки и поведением электронов графена. Во-вторых, в области нулевого внешнего поля графен демонстрирует прямое квантование проводимости с величиной, близкой к 2e2/h, что традиционно ассоциируется с наличием двух геликальных краевых состояний, подтверждающих возникновение QSH-фазы. Дальнейшие исследования транспорта в гетероструктуре позволили изучить эффект магнитного поля на поведение краевых состояний. Наблюдается сохранение QSH-эффекта при наличии среднего магнитного поля, что свидетельствует о стабильности этих состояний и их возможном взаимодействии с квантовым эффектом Холла (QH).
При этом было замечено, что даже при возрастании температуры до комнатной наблюдаются признаки аномального Холловского эффекта, указывая на практическую возможность применения подобных систем в устройствах, которые работают при стандартных условиях. Теоретически явление описывается с учётом взаимодействий в графене с индуцированным спин-орбитальным и обменным взаимодействиями слоя CPS, что ведёт к взаимной конкуренции между разными типами SOC (Кана-Меле и Рашба) и магнитным обменом. В зависимости от соотношения величин этих параметров система способна проходить фазовые переходы между QSH- и квантовой аномальной Холловской (QAH) фазами. Это придаёт дополнительную функциональность при контроле и манипуляции электронными состояниями. Не менее важным практическим аспектом является подтверждение основных характеристик графена даже в присутствии таких индуцированных взаимодействий.
Измерение массы циклотронного движения электронов в магнитном графене показало сохранение линейной дисперсии с небольшими отклонениями, что подтверждает отсутствие существенных дефектов и сохраняет ключевые параметры для разработки высокопроизводительных устройств. Помимо этого, магнитные измерения CPS позволили точно характеризовать анизотропию и переходы магнитных фаз, что способствовало точному пониманию механизмов взаимодействия между слоями. Компромисс между высокой когерентностью спиновых состояний и удобством технологической реализации является вызовом, куда вклад графен-CrPS4 гетероструктуры особенно важен. Благодаря возможности получения QSH-эффекта без внешнего магнитного поля и поддержанию Аномального Холловского сигнала до комнатной температуры, открывается потенциал для создания новых типов спинтронных схем, включающих в себя логические элементы, основания квантовых вычислений и энергоэффективных спиновых транзисторов. Новые горизонты, открытые в исследовании магнитного графена с квантовым спиновым Холл-эффектом, способствуют дальнейшему развитию направлений топологических материалов и квантовых технологий.
Возможность управлять спиновыми состояниями с помощью проксимити эффектов, а также высокая воспроизводимость и стабильность открытых явлений, указывают на перспективы быстрого внедрения таких систем в промышленные и исследовательские проекты. Обобщая, исследование и экспериментальная реализация квантового эффекта Холла с учетом спина в графене, индуцированном антиферромагнетиком CrPS4, открывают уникальную возможность обхода традиционных ограничений, связанных с внешними магнитными полями, и создают фундамент для развития новых поколений спинтронных устройств. Такой подход гармонично сочетает физические основы топологии с практическими требованиями технологий и выводит графен на новый уровень использования в сфере нанотехнологий и квантовой электроники.
