石墨烯作为一种由单层碳原子以蜂窝状排列构成的二维材料，因其卓越的电学性能和独特的电子结构，在纳米电子学和自旋电子学领域受到广泛关注。然而，纯净石墨烯的自旋轨道耦合较弱，难以自然展现拓扑保护的量子自旋霍尔效应（Quantum Spin Hall effect, QSH），限制了其在高性能量子器件中的直接应用。近年来，科学家们通过引入磁性材料邻近效应，成功调控石墨烯的能带结构，实现了无需外加磁场的自旋极化边缘态传输，标志着磁性石墨烯中量子自旋霍尔效应的新突破。磁性石墨烯中的量子自旋霍尔效应不仅为长距离相干自旋传播提供了保障，还开启了低功耗量子自旋电子学器件的研发新方向。融合石墨烯与层状磁性半导体的范德瓦尔斯异质结构中，磁性材料通过交换耦合和增强的自旋轨道耦合作用，有效打破时间反演对称性，诱导石墨烯产生拓扑体态裂隙和无质量的螺旋边缘态。最近，通过将单层石墨烯置于层状反铁磁体CrPS4的邻近层，研究人员成功探测到零外磁场下的量子自旋霍尔效应。
CrPS4具有约38K的奈尔温度，呈现显著的磁各向异性和层间反铁磁耦合，成为理想的近场磁性材料。实验中，石墨烯与CrPS4形成异质结构，逐渐诱导石墨烯电子态自旋分裂和轨道耦合增强，形成宏观可观测的异常霍尔效应信号。异常霍尔效应的存在不仅证明了石墨烯中诱发的磁性和自旋轨道耦合，还支持量子自旋霍尔边缘态的稳定存在，即使在零磁场下，边缘态依然保持拓扑保护的无反向散射特性。量子自旋霍尔态以其自旋极化、反向传播的边缘态闻名，适合于实现无能耗的自旋输运和量子信息处理。实验中，测量得到的石墨烯端口量子化电导接近2e2/h，直接印证了螺旋边缘态的存在。独特的是，随着温度升高至室温，CrPS4仍表现出持久的异常霍尔信号，暗示其诱导的磁性和自旋轨道耦合在室温范围内具备可观的稳定性，为实际自旋电子器件的制造提供了可能性。
伴随拓扑态的实现，石墨烯的能带结构发生了一系列深刻变化。受近场磁性和自旋轨道耦合双重影响，碳原子的亚晶格对称性被打破，体态能隙随之开启。该能隙内存在无质量的螺旋边缘态，即一对携带相反自旋的电子沿着样品边缘反向传播，有效避免因杂质和缺陷产生的散射损耗，支持长距离、自旋保真度高的输运。此外，石墨烯-磁性半导体异质结构的存在还导致兰道能级行为的显著差异。测量显示，零能级的兰道能级呈现较窄的能量分布和不规则的门控响应，表明载流子输运主要由边缘态主导，而非体态散射。较弱的交换场和较强的自旋轨道耦合的相互作用使系统处于量子自旋霍尔相而非量子异常霍尔相，这点为拓扑态调控提供了丰富的物理空间。
实验中采用多种测量方案验证了螺旋边缘态的特性。通过不同的终端数目和电极布局，实现了对电导的精细控制，结合朗道-布特克公式对多浮动电压探针的影响进行分析，结果一致支持了量子自旋霍尔态的形成。此外，外加微弱磁场时，边缘态电导呈现微弱变化，进一步验证其拓扑稳定性和对时间反演对称性弱破缺的容忍度。量子自旋霍尔效应的出现，与传统依赖大强度外磁场的量子霍尔效应形成鲜明对比，突破了对磁场依赖的技术瓶颈，使石墨烯的拓扑量子态的实用化成为可能。由于磁性石墨烯的量子自旋霍尔态的稳健性，基于此构建的自旋过滤器、自旋阀和自旋注入器等拓扑自旋电子学元件得以实现高效、低噪声的运行。未来，融合多种二维材料构建定制化范德瓦尔斯异质结构，可进一步调控交换耦合和自旋轨道耦合比例，实现量子异常霍尔态与量子自旋霍尔态之间的灵活切换。
多层异质结构、双门电压调控以及应力调节等手段也为量子态的动态控制提供广阔空间。磁性石墨烯中的量子自旋霍尔效应不仅是基础物理研究的前沿课题，也为信息技术发展注入创新动力。其实现的无耗散自旋输运先进特性，具备革命性影响量子计算、自旋逻辑和能效电子器件。结合目前器件集成与制造工艺的提升，磁性石墨烯的量子自旋霍尔态将在未来拓扑量子电子学领域扮演核心角色。综上所述，磁性石墨烯由于近场磁性材料的邻近效应诱导出强自旋轨道耦合和交换坏境，成功实现了量子自旋霍尔效应。其零外磁场下持久且清晰的拓扑边缘态传输，为深入理解二维拓扑材料物理机制提供了实验证据。
室温下观察到的异常霍尔信号显示该体系未来具有重要的器件应用前景，尤其适合实现在量子自旋电子学中低功率、长距离、稳定性强的自旋信息传输。展望未来，结合多物理场调控、多异质结构设计以及新型量子测量技术，磁性石墨烯量子自旋霍尔效应将助力二维拓扑电子学迈入新篇章，推动信息技术、量子计算及低能耗电子器件的跨越式发展。
