Графен, удивительный двухмерный материал, продолжающий впечатлять ученых своими уникальными электронными и спиновыми свойствами, последние годы стал ареной интенсивных исследований в области топологических явлений. Одно из ключевых открытий, сделанных в этой области, — квантовый эффект Холла с спиновым вращением, впервые наблюдаемый в магнитном графене, который открывает новые возможности для создания энергетически эффективных и высокопроизводительных спинтронных устройств, работающих при комнатной температуре без необходимости использования внешних магнитных полей. Квантовый спиновый эффект Холла (Quantum Spin Hall, QSH) представляет собой особое состояние электронного транспорта, при котором вдоль границ образца движутся сопряженные по спину и направлению «гелиальные» проводящие состояния. Они обеспечивают защиту от рассеяния и позволяют протекать спиновому току без потерь. Такие состояния чрезвычайно важны для будущих квантовых вычислительных и спинтронных приложений, где задача состоит в управлении спином электрона без потери информации.
Графен сам по себе — материал с высокой подвижностью носителей заряда и уникальной линейной дисперсией электронных состояний, но слабым спиновым орбитальным взаимодействием и отсутствием собственной магнитности. Чтобы индуцировать в нем топологические и магнитные свойства, используют явление проксимити — взаимодействие с соседними двухмерными материалами, способными менять электронные характеристики графена без повреждения его кристаллической структуры. В недавно проведенных исследованиях удалось обнаружить квантовый спиновый эффект Холла в гетероструктурах графена и магнитного изолятора CrPS4 — интерслоевого антиферромагнетика с неклассической магнитной анизотропией. Такое сочетание позволило реализовать в графене стабильные гелиальные спин-поляризованные края без использования внешнего магнитного поля. Причиной этого послужил индуцированный в графене обменный эффект и усиленное спиновое орбитальное взаимодействие, обусловленные близостью CrPS4.
CrPS4 — это устойчивый к окислению двумерный магнитный полупроводник с широкой запрещённой зоной около 1,3 эВ и температурой Неля порядка 38 К. Его кристаллическая структура и магнитное упорядочение создают уникальные условия для взаимодействия с графеном, индуцируя в последнем не только магнитный обмен, но и необходимое спиновое орбитальное взаимодействие (SOC), которое маслообразно открывает топологический зазор и формирует защищённые спин-поляризованные граничные состояния. Эксперименты с устройствами на базе графена- CrPS4 гетероструктур продемонстрировали характерные сигналы аномального Холла (AH), свидетельствующие о магнитном воздействии соседа на электронные состояния графена не только при низких температурах, но и вплоть до комнатной, что подчеркивает прочность и перспективность данной системы для практического использования. При изучении квантового эффекта Холла в таких системах были выявлены выраженные осцилляции Шубникова — де Хаса, претерпевающие модификации под влиянием индуцированного магнитного обмена и спин-орбитального взаимодействия. Ключевым наблюдением стала генерация неизменно фиксированного значения проводимости 2e²/h в нуль-энергетической области, что является прямым доказательством наличия гелиальных спин-поляризованных электронных состояний, обеспечивающих квантово-защищенный перенос заряда и спина.
Такое состояние в графене идеально согласуется с теоретическими моделями QSH, где возникающие спин-поляризованные граничные состояния стабилизируются за счет баланса между величинами спин-орбитального взаимодействия и магнитного обмена. При этом, в отличие от квантового аномального эффекта Холла (QAH), требования к внешнему магнитному полю отсутствуют, что делает систему максимально пригодной для технических решений. Проведенные измерения в различных конфигурациях электрических контактов показывают идентичные значения квантованной проводимости, что свидетельствует о гелиальной природе электронного транспорта и подтверждает модели Ландауэра — Бюттикера применительно к гелиальным каналам проводимости. Не традиционные для обычного графена свойства, которые реализуются здесь благодаря сильной гибридизации состояний графена и CrPS4 и индуцированным топологическим свойствам. Аномальный эффект Холла в таких гетероструктурах не просто демонстрирует присутствие магнитных взаимодействий, но и служит показателем сильного индуцированного спин-орбитального взаимодействия, что позволяет контролировать взаимоотношение магнитности и спиновых потоков.
Экспериментально было зафиксировано сохранение анормального Холла даже при комнатной температуре, что знаменует важный прорыв в развитии высокотемпературных спинтронных технологий. С точки зрения инженерии материалов, получение таких гетероструктур — дело не только научной важности, но и технологического вызова. Ключом к успеху является минимизация интерфейсного переноса зарядов, который зачастую мешает проявлению нужных чистых эффектов проксимити. В случае CrPS4, структура и химия поверхности обеспечивают уникальную возможность реализации сильного магнитного и спин-орбитального взаимодействия через van der Waals интерфейс без заметного «загрязнения» электронных свойств графена. Топологические состояния, открытые в магнитном графене, создают уникальную платформу для дальнейшего развития квантовых технологий, включая создание спинтронных логических элементов, квантовых датчиков и энергоэффективных элементов памяти.
Наличие квантово-защищенных граничных каналов, устойчивых к разбросу и дефектам, делает графен-CrPS4 гетероструктуры весьма привлекательными с точки зрения масштабируемости и интеграции в коммерческие устройства. В перспективе, благодаря возможности электрического управления химическим потенциалом через карманные и верхние затворы, можно будет не только создавать и уничтожать эти особые спиновые состояния по требованию, но и манипулировать их параметрами для реализации сложных логических операций на спинах. Это открывает путь к практической реализации квантовых спинтронных схем с гораздо более простой инфраструктурой, чем требуемая для традиционных систем с внешними магнитными полями. Обнаружение квантового спинового эффекта Холла в магнитном графене стало значительным шагом вперед как в фундаментальной физике материалов, так и в перспективах их технологического применения. Оно стимулирует дальнейшие исследования направления интерфейсного дизайна, материал-синергии и способов контроля топологических и магнитных свойств двумерных систем.
Таким образом, магнитный графен в гетероструктурах с CrPS4 демонстрирует сочетание исключительных оптических, электрических и магнитных свойств, реализуя защищенный от рассеяния спин-поляризованный транспорт, который ранее была активной темой теоретических исследований. Практическая реализация этого эффекта без внешних магнитных полей и при температурах, близких к комнатным, серьезно расширяет возможности внедрения квантовых эффектов в реальных электронных устройствах будущего. Дальнейшие шаги в развитии этой области включают поиск новых материалов с высокими температурами магнитного упорядочения, усилением спин-орбитальных взаимодействий и снижением диссипации, а также интеграцию подобных гетероструктур в масштабируемые архитектуры с целью коммерциализации и продвижения квантовых спинтронных технологий на рынок. В конечном итоге, достижения в изучении и контроле квантового спинового эффекта Холла в магнитном графене будут способствовать развитию новых поколений электронных устройств с прорывной производительностью и энергоэффективностью.
