Графен изначально покорил научное сообщество своими уникальными электронными свойствами, начиная с открытия квантового эффекта Холла и необычно высокой подвижности зарядовых носителей. Однако за последние годы на первый план вышли не только зарядовые, но и спиновые свойства графена, открывающие перспективы его применения в спинтронике — области, где информацию кодируют и передают при помощи спина электрона. Именно в этой сфере особенно интересны явления квантового эффекта спинового Холла (QSH), которые предполагают наличие устойчивых спинполяризованных краевых состояний, способных обеспечивать бездиссипативный перенос информации. Одна из главных проблем использования спиновых эффектов в графене традиционно связана с отсутствием собственной эффективной спин-орбитальной связи (SOC) и слабой магнитностью, что ограничивает создание устойчивых топологических состояний без внешних магнитных полей. В последние годы существенный прогресс был достигнут применением ван-дер-Ваальсовых гетероструктур, где графен размещают в непосредственной близости к двумерным магнитным материалам.
Такая технология позволила реализовать протяжённые взаимодействия, стимулирующие появление в графене как индуцированной SOC, так и обменного взаимодействия с магнитным слоем — сочетание, необходимое для формирования топологически защищённых краевых состояний. Особое внимание вызывает исследование гетероструктур графена с антиферромагнитным слоем CrPS4 (хром-фосфор-триcульфид). Этот материал обладает собственной слоистой структурой и стабильной при комнатных температурах магнитной упорядоченностью с температурой Неля около 38 К. Выводы экспериментальных исследований показывают, что после помещения графена в непосредственную близость к CrPS4 можно добиться формирование топологического фермионного состояния с уникальной совокупностью явлений: одновременно проявляются квантовый эффект спинового Холла и аномальный эффект Холла (AH) без необходимости прикладывать внешнее магнитное поле. Это открывает новые горизонты для реализации квантовых спинтронических устройств, работающих при более практичных условиях.
Изучение краевых состояний в такой системе стало возможным благодаря сочетанию индуцированных SOC и магнитного обменного поля, вызванных близостью CrPS4. Структура графена модифицируется так, что возникает спин-сплиттинг электронных зон с формированием топологической щели в объемной части спектра, внутри которой появляются безэнергетические спинполяризованные геликальные крайние состояния. Эти состояния устойчивы к рассеянию и дефектам, что предопределяет их использование для долговременной и бездиссипативной передачи спиновой информации на большие расстояния. Эксперименты с графеном, соприкоснувшимся с CrPS4, подтвердили наличие большого сигнала аномального эффекта Холла вплоть до комнатных температур, что говорит о сильной индуцированной магнитности и SOC в графене. Возможность наблюдения эффекта без внешнего магнитного поля — важное достижение, так как исключается необходимость создания мощных магнитных условий для работы устройства, что значительно упрощает его применимость в технологиях.
Кроме того, анализ поведения зон в перпендикулярном магнитном поле позволил выявить особенности квантувания зеемановского разрыва и формирование Ландау-подуровней, где границы электронных состояний имеют топологическую защиту. Наблюденные осцилляции Шубникова-де-Хаса и измерения эффективных масс электронов подтвердили сохранение чистоты и высокой мобильности носителей в таких гетероструктурах, несмотря на внедрение магнитных и спин-орбитальных взаимодействий. С точки зрения теории, модель гетероструктуры с графеном и CrPS4 предусматривает возникновение не просто классических топологических изоляторов, а новых фаз с нарушением обратимости по времени, в которых квантовый эффект спинового Холла сосуществует с аномальным эффектом Холла, ранее часто считавшимися взаимоисключающими. Это доказывает, что сила индуцированного магнитного обменного взаимодействия и SOC подобрана так, что формируется необычная «спиновая квантовая жидкость» с новыми возможностями управления спином. Понимание квантового эффекта спинового Холла в магнитном графене важно не только для фундаментальных исследований, но и для развития прикладных технологий в области квантовых вычислений и спинтроники.
Возможность создавать маломощные устройства с высокоэнергетической эффективностью, основанные на бездиссипативном спиновом токе, открывает перспективы разработки новых классов логических элементов, памяти и сенсоров с высокой скоростью и долговечностью. Одной из значимых особенностей системы графен–CrPS4 является стабильность эффектов в широком диапазоне температур, включая комнатную. Это особенно важно для индустриальных приложений, поскольку позволяет избежать необходимости сложной сверхохлаждающей аппаратуры и обеспечивает долговременную работу элементов квантовых схеме. Актуальные исследования в данной области продолжают совершенствовать методики механизмов модуляции и управления топологическими состояниями путём изменения электрического поля, давления, либо конфигурации гетероструктур. Например, применение верхних и нижних затворов позволяет точно настраивать химический потенциал и энерговыделение в графене, что даёт возможность динамически переключать спинполяризованные каналы транспорта.
Также перспективным направлением является интеграция подобных магнитных гетероструктур с другими 2D материалами, такими как борид нитрида, переходные металлы дихалькогениды и топологические изоляторы. Комбинации различных уровней магнитной спин-орбитальной индукции могут вести к появлению новых фаз и эффектов, расширяя функционал и сферы применения. Для создания устройств на основе квантового эффекта спинового Холла важны и вопрос формирования контактов с минимальными потерями, а также минимизация дефектов интерфейса. Отсюда большой интерес вызывает развитие методов чистой сборки слоистых материалов, таких как сухой трансфер и прокладка слоев в вакууме, чтобы сохранить первозданные свойства и обеспечить высокое качество гетероструктур. Квантовый эффект спинового Холла в магнитном графене — один из ключевых примеров реализации топологических состояний в двумерных материалах с индуцированной спиновой активностью.
Сочетание экспериментальных подтверждений, теоретического моделирования и технологий нанофабрикации постепенно приближает нас к практическому применению таких эффектов для создания новой генерации спинтронных устройств с превосходной производительностью и энергоэффективностью. Таким образом, магнитный графен на базе гетероструктур с CrPS4 предлагает уникальную платформу для исследования многообразных топологических явлений и их практическое внедрение. Спиновые и аномальные Холловские эффекты в этом материале дополняют и расширяют современные знания о квантовой физике двухмерных систем, обеспечивая фундамент для разработки новых технологий квантовых информационных преобразований и устройств следующего поколения.
