Графен, уникальный двумерный материал, представляющий собой один слой углеродных атомов, поражает ученых своими исключительными электрическими, тепловыми и механическими свойствами. Его открытие открывает новую эпоху в физике конденсированного состояния, создавая возможности для инноваций в электронике и спинтронике — отрасли, изучающей спин электрона как носитель информации. В центре внимания современных исследований находится явление, известное как квантовый эффект спинового Холла (Quantum Spin Hall, QSH), особенно в условиях магнитного графена, где взаимодействие с магнетиками приносит невиданные ранее физические эффекты и потенциал практического применения. Квантовый эффект спинового Холла – фундаментальное явление, представляющее собой перенос заряда с сохранением спинового поляризации на краевых состояниях материала без внешнего магнитного поля. Его достижение в графене без применения мощных магнитных полей стоит в авангарде научных задач, поскольку обеспечивает возможность создания устройств с минимальными потерями энергии и высокой скоростью передачи информации.
Ключевой вызов заключался в том, чтобы добиться топологически защищенных спин-поляризованных краевых состояний, способных к одновременному проведению с высокой когерентностью и устойчивостью к рассеянию. Последние экспериментальные прорывы связаны с внедрением магнитного порядка в графен посредством «проксимити-эффекта» — близкого соседства с компонентами, обладающими сильным спин-орбитальным взаимодействием и магнитной упорядоченностью. Одним из наиболее перспективных направлений является использование ван-дер-Ваальс гетероструктур, в которых графен контактирует с тонкими слоями антиферромагнетиков, например, с кристаллом CrPS4. Такой подход не вызывает прямого химического вмешательства или повреждений графена, а обеспечивает значительные изменения его энергетического спектра и инфраструктуры спинового транспорта. CrPS4 — это интерслойный антиферромагнетик с внушительным температурным диапазоном устойчивости магнитного состояния (Néel Температура около 38 К), обладающий прочной кристаллической структурой и необычной анизотропией магнитных свойств.
Взаимодействие с графеном приводит к появлению индуцированных магнитных и спин-орбитальных эффектов, открывающих доступ к реализации квантового эффекта спинового Холла без необходимости внешних магнитных полей. Важной особенностью является формирование топологического энергетического разрыва в глубине графена при одновременном появлении краевых состояний с противоположным направлением движения и спинов, устойчивых к дефектам и беспорядкам. Эксперименты на устройствах с гетероструктурами графен-CrPS4 показали поразительные результаты. Наличие выраженного аномального Холл эффекта (AHE) свидетельствует о сильных индуцированных обменных взаимодействиях и мощном спин-орбитальном coupling, что подтверждается наличием большого аномального Холл сопротивления, сохраняющегося даже при комнатной температуре. Такой эффект является непревзойденным в сравнении с ранее известными системами и указывает на уникальный статус данной конструкции для будущих квантовых спинтронических схем.
На уровне квантового транспорта была зафиксирована квантованная проводимость, близкая к 2e²/h при нулевом внешнем магнитном поле, что является ясным признаком наличия спин-поляризованных гелиальных краевых состояний — краевых каналов, по которым идут встречные потоки электронов с противоположными значениями спина. Эти гелиальные состояния проявляют топологическую защиту, благодаря чему токи могут транспортироваться на сравнительно большие расстояния с минимальными потерями, что критично для построения эффективных спинтронных устройств. Подтверждение топологического характера этих состояний было получено путем изменения схем измерений и наблюдения предсказуемого поведения проводимости при подключении или отключении дополнительных вольтметров, внутренних контактов и особенностей геометрии устройства. Статистика и сопоставление данных с теорией Ландауэра–Бюттикера позволили убедиться в гелиальной природе краевого транспорта. Интенсивная стабилизация этого эффекта при нулевом и малом магнитном поле исключает необходимость использования мощных внешних магнитных источников, облегчая интеграцию таких структур в практические схемы.
Отличительной чертой магнитного графена на основе CrPS4 является также минимальное влияние межфейсного заряда и отсутствие значительной кондуктансной нелинейности, что повышает воспроизводимость и стабильность поведения устройства. Такая чистота и устойчивость обеспечивают возможность более глубокой интеграции топологических эффектов при сохранении управляемости электрических характеристик через гейты. Модельные расчеты и численные методы, в том числе плотностно-функциональные теории (DFT), подтвердили возникновение сильной гибридизации электронных состояний графена и CrPS4, обуславливающей появление мощного обменного поля и индуцированного спин-орбитального взаимодействия. Это сочетание создает идеальную платформу для разработки новых типов квантовых фаз и топологических состояний, в том числе персоциирующих с переходами между квантовым спиновым Холлом и квантовым аномальным Холлом, в зависимости от соотношения параметров взаимодействий. Температурная стабильность аномального Холл эффекта при комнатной температуре показывает перспективность магнитного графена как компонента для реальных устройств.
В дополнение к пассивным функциям, таким как перенос и фильтрация спина, эти гетероструктуры могут активироваться и управляться электрически, что обеспечивает необходимую гибкость и функциональность для квантовых логических элементов, спинтронных транзисторов и интегрированных сенсоров. Особое значение имеет наблюдение за пространственной и магнитной анизотропией эффекта, связанной с кристаллографическими осями CrPS4 и их данным влиянием на ориентацию спиновых структур в графене. Контроль направления магнитной оси посредством внешних воздействий позволит создавать более сложные и адаптивные квантовые устройства с улучшенными характеристиками, включая топологические магнитные квесты и мультифункциональные интерфейсы. Разработка техники изготовления чистых гетероструктур с контролируемым интерфейсом и минимизацией дефектов при помощи передовых методов, таких как механический перенос со специальным ориентированием, открывает возможности для масштабирования технологий и создания интегрированных платформ для спиновых и квантовых вычислений. Обобщая, квантовый эффект спинового Холла в магнитном графене, реализованном через взаимодействие с 2D антиферромагнетиком CrPS4, открыт и подтвержден как перспективный путь к реализации новой генерации спинтронических устройств.
