自旋电子学和石墨烯如何驱动下一代量子电路

自旋电子学如何彻底改变计算领域

硬件计算的世界正逐渐超越硅芯片，甚至超越传统的二进制计算形式。这是因为我们计算机和数据中心中常用的芯片和内存的制造难度越来越大，最新一代晶体管的尺寸仅有几纳米。

另一个因素是，随着对计算能力（尤其是人工智能系统）的需求不断增长，能源消耗正成为一个问题。

已有许多提议的解决方案，其中量子计算和光子学是减少计算需求或使其更快、更节能的最突出的选择。

另一种是自旋电子学，它利用电子自旋而不是电流（电子流动）。

代尔夫特理工大学（荷兰）、筑波国家材料科学研究所（日本）、瓦伦西亚大学（西班牙）、雷根斯堡大学（德国）和哈佛大学（美国）的研究人员创造了一种新型自旋电子石墨烯器件。

与该技术的先前版本不同，它不需要强大的磁铁，因此与其他电子元件的兼容性更高。他们的研究成果发表在《自然通讯》杂志上。¹， 在标题之下 ”磁性石墨烯中的量子自旋霍尔效应“。

自旋电子学的潜力

晶体管等电子元件传统上由硅制成，并依赖于半导体。二进制中的 0 和 1 信号表示电流的通过或阻断。

执行计算的另一种方法是自旋电子学设备，它依靠电子自旋（基本量子特性）而不是电流（电子流动）运行。

来源: 洞察 IAS

自旋电子学与传统电子系统相比具有一些优势，尤其是：

• 数据速度更快，因为旋转可以更快地改变。
• 能耗更少，因为改变自旋所需的能量比维持电子通量以产生电流所需的能量还要小。
• 可以使用简单的金属代替复杂的半导体材料。

自旋电子技术已经应用于硬盘，并在过去十年中推动了存储容量的增长。

“自旋是电子的量子力学特性，它就像电子携带的一块微小磁铁，指向上方或下方。

我们可以利用电子自旋在所谓的自旋电子学设备中传输和处理信息。”

塔利耶·吉亚西 – 博士后研究鼠 代尔夫特理工大学

用于量子计算的自旋电子学

自旋电子学对量子电路的主要优势

自旋不是电流，而是电子的基本量子特性，其中量子信息存储在自旋的方向上。

自旋电子学的主要优势在于它处理的是磁矩的传输，而不是电子的转移。因此，信息传输不需要物质的移动。

由于这本身就是一种量子元素，因此创建自旋量子比特的想法颇具吸引力。正如量子计算系统通常面临的问题一样，问题在于如何在足够长的时间和距离内保存这些信息。

这可能正是本研究中的研究人员利用石墨烯找到的解决方案。

用于自旋电子学的石墨烯

石墨烯是一种“神奇材料”， 二维碳层。它不仅在计算领域有潜力，而且在 超导, 电信, 材料科学和 催化.

尽管石墨烯具有卓越的电学特性，但迄今为止尚未真正应用于自旋电子学。原因在于，探测石墨烯中的量子自旋电流始终需要强大的磁场，而这在芯片上几乎不可能实现。

研究人员通过将石墨烯层叠在二维反铁磁半导体 CrPS₄（硫代磷酸铬）上，从而能够绕过对外部磁场的需求。

该磁性层显著改变了石墨烯的电子特性，产生了石墨烯中的量子自旋霍尔（QSH）效应。

“我们观察到石墨烯中的自旋传输受到邻近的 CrPS4 的改变，使得石墨烯中的电子流动变得取决于电子的自旋方向。”

塔利耶·吉亚西 – 博士后研究鼠 代尔夫特理工大学

QSH 效应使电子能够毫不费力地沿着石墨烯的边缘移动而不会受到干扰，并且所有电子的自旋都朝着同一方向排列。

“我们现在无需外部磁场就能实现量子自旋流，这为这些量子自旋电子器件的未来应用开辟了道路。”

塔利耶·吉亚西 – 博士后研究鼠 代尔夫特理工大学

基于石墨烯的自旋电子学的未来展望

由于量子自旋流受到“拓扑保护”，它们可以传播数十微米的距离而不会丢失电路中的自旋信息。

这些受拓扑保护的自旋流对无序和缺陷具有很强的鲁棒性，即使在不完美的条件下也能保持可靠性。在不丢失任何信息的情况下保存自旋信号对于构建自旋电子电路至关重要。

塔利耶·吉亚西 – 博士后研究鼠 代尔夫特理工大学

这一发现为基于石墨烯的超薄自旋电子电路铺平了道路。石墨烯中的自旋流可以实现高效、相干的量子信息传输。 到目前为止仅限于使用光来连接量子计算组件.

因此，尽管这项工作仍在进行中，但这一发现清楚地表明，量子计算机和量子网络的最终设计尚未确定，而石墨烯等材料可能会在长期内发挥作用（作为 石墨烯半导体材料类别) 以及一般的自旋电子学。

投资石墨烯公司

石墨烯制造集团 (GMG)

GMG 是一家石墨烯生产商，其产品主要集中在已经证明的基于石墨烯的产品上，如热涂层和润滑剂，从而提高工业设备的效率。

来源: GMG

这使得 GMG 成为寻求直接进入石墨烯市场的投资者以及已经积极参与石墨烯大规模生产和改进当前生产方法的公司的良好选择。

如果石墨烯开始大规模用于计算等其他应用，现有石墨烯公司的经验和制造能力将成为进入这些市场的优势。

其他一些应用可能是制造石墨烯半导体（参见“石墨烯半导体——它们终于来了吗？“）， 甚至 室温超导体.石墨烯涂层还可用于电池和氢压力容器技术。

GMG 利用甲烷和氢气生产石墨烯，这与大多数竞争对手利用天然石墨矿床生产石墨烯的方式不同。这种方式可以实现更高的纯度、更强的可扩展性和更低的生产成本。

来源: GMG

该公司于2023年在澳大利亚启动了其首个生产设施，每年可生产高达1万升的热交换器涂料。目前，该设施正在扩建，以实现每年10万吨的产能。

该公司的下一步计划是基于石墨烯铝离子的电池技术，其石墨烯浆料将成为锂离子电池正极的添加剂。从长远来看，它甚至可能完全取代石墨基正极。

该公司正在开发这种采用石墨烯正极的石墨烯铝离子电池，其能量密度可达290Wh/kg。该产品由力拓与矿业巨头力拓合作开发，最初可能应用于重工业（如采矿业），而非电动汽车市场。

来源: GMG

电池发展路线图预计将于 2025 年建成试验工厂，2026 年决定投资商业规模工厂，并于 2027 年最终投入使用并首次向客户发货。

进军电池市场对于 GMG 来说可能是一场豪赌，但这也为其在未来可能为石墨烯打开的市场中提供了独特的机会，包括储能和其他电力相关应用。

参考研究

^{1. Ghiasi, TS、Petrosyan, D.、Ingla-Aynés, J. 等人。 磁性石墨烯中的量子自旋霍尔效应. 自然通讯 16, 5336 (2025)。 https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}