スピントロニクス用量子回路へのブレイクスルー(Breakthrough in spintronic devices for ultra-thin quantum circuits)

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2025-06-24 オランダ・デルフト工科大学(TU Delft)

スピントロニクス用量子回路へのブレイクスルー(Breakthrough in spintronic devices for ultra-thin quantum circuits)
Artist’s impression of the quantum spin Hall effect in a graphene-based spintronic device, integrated in a chip. The blue and red spheres are spin-up and spin-down electrons traveling along the edge of the graphene. Underneath the graphene lies the layered magnetic material CrPS₄. (Credits: ScienceBrush, Talieh Ghiasi)

TU Delftの研究チームが、磁場を使わずにグラフェン上で量子スピン流を観測することに初めて成功しました。これは超薄型スピントロニクス素子の開発における画期的進展で、従来のスピントルク形成の課題を克服する可能性を秘めています。実験では、電場による制御でスピン流を生成・操作できることが示され、これによりチップ規模での超省エネ量子回路実装が現実味を帯びます。将来的には、2D磁性材料やバンデルワールスヘテロ構造を活用した更なる集積化や性能向上が期待されています。本研究は、量子インターコネクトや非相反スピントロニクス素子などの新たな応用へ大きく前進するものです。

<関連情報>

磁性グラフェンにおける量子スピンホール効果 Quantum spin Hall effect in magnetic graphene

Talieh S. Ghiasi,Davit Petrosyan,Josep Ingla-Aynés,Tristan Bras,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Samuel Mañas-Valero,Eugenio Coronado,Klaus Zollner,Jaroslav Fabian,Philip Kim & Herre S. J. van der Zant
Nature Communications  Published:24 June 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1

Abstract

A promising approach to attain long-distance coherent spin propagation is accessing topological spin-polarized edge states in graphene. Achieving this without external magnetic fields necessitates engineering graphene band structure, obtainable through proximity effects in van der Waals heterostructures. In particular, proximity-induced staggered potentials and spin-orbit coupling are expected to form a topological bulk gap in graphene with gapless helical edge states that are robust against disorder. In this work, we detect the spin-polarized helical edge transport in graphene at zero external magnetic field, allowed by the proximity of an interlayer antiferromagnet, CrPS4. We show the coexistence of the quantum spin Hall (QSH) states and magnetism in graphene, where the induced spin-orbit and exchange couplings also give rise to a large anomalous Hall (AH) effect. The detection of the QSH states at zero external magnetic field, together with the AH signal that persists up to room temperature, opens the route for practical applications of magnetic graphene in quantum spintronic circuitries.

0403電子応用
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