石墨烯由于其优异的电学和自旋输运性能，已经成为现代凝聚态物理和纳米电子学研究的焦点材料之一。其独特的线性色散关系和零质量狄拉克费米子赋予了石墨烯非凡的量子特性，如量子霍尔效应和远距离自旋传播能力。然而，纯净石墨烯的自旋轨道耦合较弱且缺乏内在磁性，限制了其在拓扑自旋电子学中发展应用的可能性。为此，近年来科学家们开始采用范德瓦尔斯异质结构设计，将石墨烯置于磁性材料近邻效应下，通过界面相互作用非侵入式地调控其能带结构，从而实现具有拓扑保护的自旋极化边缘态。磁性石墨烯中的量子自旋霍尔效应正是此类研究的重要里程碑，揭示了在无外部磁场条件下，石墨烯通过近邻层间反铁磁体CrPS4诱发的自旋轨道耦合和交换相互作用，可以展现出稳健的拓扑边缘态行为。 量子自旋霍尔效应（Quantum Spin Hall Effect，QSH）是一种特殊的拓扑相，特征为材料内部存在能隙，而边缘却出现两条自旋相反且反向传播的无能量耗散导电通道。
这些拓扑边缘态由于其时间反演对称性和自旋锁定机制，具有对无序和散射的天然抵抗能力，为实现长距离相干自旋输运和低功耗量子电子器件奠定基础。传统实现QSH效应的体系多依赖于强自旋轨道耦合材料，然而石墨烯自身的自旋轨道耦合极弱，无法单独支持QSH态。这就催生出通过近邻效应，将石墨烯与磁性或含重元素的二维材料结合，通过诱导的自旋轨道耦合和磁交换相互作用，实现拓扑相变和自旋极化边缘态的研究热潮。 近期发表于顶尖期刊的研究展示了石墨烯与2D反铁磁半导体CrPS4构筑的异质结构，如何激发出独特的QSH效应。在该体系中，CrPS4具有较高的物理稳定性和室温以上的磁序维持能力，同时其层间磁性和电性特点为石墨烯提供了理想的近邻磁交换场。实验通过微加工制备出石墨烯-CrPS4异质结构，并采用多种电输运测量技术观察到巨大的异常霍尔效应信号以及接近2e²/h的量子化电导值，直接证实了零外部磁场下的自旋极化螺旋边缘态的存在。
此外，系统展现出室温下仍能保持的异常霍尔信号，凸显了该体系在实际自旋电子器件上的应用潜力。 这一体系的秘诀在于通过CrPS4的反铁磁性层间交换和局部自旋轨道耦合作用产生加性效应，破坏石墨烯的时间反演对称性但仍保留一定的拓扑保护机制，形成了具有奇异量子性质的拓扑绝缘态。具体而言，近邻诱导的电势差使得石墨烯的两个子晶格能级不再等价，形成电偶极烈的场效应，以及边缘自旋态的能量裂隙开拓。结合强弱调节的Rashba型和Kane-Mele型自旋轨道耦合，系统呈现出可调节的拓扑边缘态传导行为。通过门电压调节，研究人员成功调控了石墨烯费米能级，实现了对量子边缘态的开关控制，为未来集成化量子自旋逻辑器件开发提供技术基础。 实验中，作者利用超级导体量子干涉装置（SQUID）验证了CrPS4的磁各向异性及其温度依赖特性，确认其反铁磁层间自旋旋转的独特行为。
特别是在临界磁场附近发生的自旋翻转态，导致磁化矢量倾斜，从而通过近邻交换场影响石墨烯的电子态分布。电输运测量结果表明，在零外加磁场时，石墨烯产生的纵向和横向电阻展示出了异常霍尔贡献，且异常霍尔信号在高达300K的温度下仍保持稳定，表明近邻效应导致了持久而强大的磁交换作用和增强的自旋轨道耦合力度。此外，石墨烯的朗道能级结构与传统石墨烯有所不同，零能朗道能级呈现极小的宽化和平移，暗示了拓扑保护的边缘态存在。 通过微米尺度的电极设计和多终端测量技术，科学家们进一步确认了边缘态的自旋极化和螺旋特性。导电通路的量子化电导值与Landauer-Buttiker边缘导电模式完全吻合，且通过浮动探针的影响实验，体现出边缘通道的拓扑不变量与路径相关性。变温测试揭示在磁性石墨烯通道中，量子自旋霍尔态能在相对较高温度下稳定存在并展现出对磁场细微调节的响应，预示其在量子信息处理与室温量子自旋电子学中的实用价值。
理论模拟中，密度泛函理论（DFT）计算验证了石墨烯与CrPS4界面的电子结构改变和杂化机制，揭示了近邻诱导的交换场和自旋轨道耦合如何产生能带开裂和拓扑非平庸的电子态。该计算结果与实验中观察到的异常霍尔效应和量子自旋霍尔电导量子化现象高度一致，为理解材料体系的内在物理机制提供了坚实理论支撑。同时，计算还揭示了不同晶格方向的对齐调整对磁性和拓扑态强度的影响，为设计和优化功能性二维磁性异质结构提供了指导。 磁性石墨烯中的量子自旋霍尔效应研究不仅推动了拓扑量子材料的基础科学发展，也开启了新一代量子自旋电子器件设计思路。基于磁性异质结构实现的无外磁场自旋极化边缘态传输，克服了传统依赖强磁场或低温环境的不足，极大地提升了器件的可集成性和实用性。未来，结合多层异质结构设计、外场调控技术以及材料界面工程，有望实现更强的自旋轨道耦合、更高温度下的拓扑相稳定性以及多功能量子器件的集成化发展。
总结而言，磁性石墨烯中的量子自旋霍尔效应以其独特的物理机制和优异的性能表现，代表了二维材料与拓扑物理的交叉前沿。通过实现自旋极化的拓扑保护边缘态，其为实现新型低功耗、高效率的量子自旋电子学器件指明了方向。随着研究的深入和制备技术的成熟，磁性石墨烯必将在未来量子信息技术、自旋逻辑和能量节约型电子学中发挥举足轻重的作用，成为引领下一代电子科技革命的重要基石。
