2026年5月7日——曼彻斯特大学国家石墨烯研究所的研究人员发现，在超洁净石墨烯中，电子可以在保持自旋信息完整的同时被高精度引导，这是未来低功耗电子器件和量子设备的一个关键要求。

在一项发表于《物理评论X》的新研究中，该团队展示了电子如何在低温下以弹道方式（即不经历任何散射或电阻）在石墨烯中传播微米级距离，并且自旋相干性可一直保持至室温。通过使用一种称为横向磁聚焦（TMF）的技术，研究人员能够像光线穿过透镜一样弯曲电子轨迹，并表明这些弯曲路径携带着清晰的自旋特征。

来自曼彻斯特的合著者丹尼尔·伯罗博士表示：“令人兴奋的是，我们可以在石墨烯中塑造电子的路径，同时调节其自旋行为。这有点像使用一组透镜和镜子，但针对的是自旋极化电子。这为在不依赖材料中强自旋-轨道相互作用的情况下控制自旋提供了一种实用方法。”

电子路径揭示自旋行为

该团队的石墨烯器件使用铁磁钴触点，在封装石墨烯通道的边缘注入并检测自旋极化电子。当施加一个小的面外磁场时，电子路径会弯曲成所谓的回旋轨道。如果这些轨道大小合适，它们会直接落在探测器触点上，在特定磁场处产生明显的信号峰值。这些TMF峰值提供了弹道电子运动的直接指纹。该研究中解析出了三个这样的峰值。

关键在于，这些TMF峰值的高度和符号会随着磁触点对齐方式的变化而改变，表明聚焦信号携带了自旋信息。这证实了弹道轨迹（而非扩散散射过程）负责在器件中传输自旋。

通过栅极电压实现控制

通过改变施加在背栅上的电压（该电压可调节石墨烯中电子的密度），研究人员能够显著调制自旋信号。在某些条件下，他们增强了相对于标准非局域自旋阀测量的信号。在其他条件下，他们甚至可以完全反转信号的极性。

这种可调性源于电子轨道运动与自旋之间的耦合，这是因为铁磁触点在石墨烯边缘诱导了局域电荷转移掺杂以及邻近交换效应。因此，触点附近的石墨烯表现得像磁性材料，而电子从该区域弹道运动到其余非磁性石墨烯通道中，导致了自旋依赖的电子光学效应。其结果是实现了类似晶体管的自旋行为，而无需在石墨烯通道中引入自旋-轨道耦合。

迈向实用的自旋基器件之路

该团队在低温（25 K）下观察到了清晰的弹道行为，而准弹道传输在室温下仍然存在。由于TMF峰值在较高温度下仍对自旋敏感，研究人员证明自旋相干弹道传输可以在适合实际器件的条件下存活。

这种方法为自旋电子学组件提供了一种新的工作原理：这些器件依赖于控制电子的自旋而非其电荷。这一机制呼应了达塔-达斯自旋场效应晶体管背后的理念，但通过电子光学效应而非自旋-轨道相互作用实现了自旋调制。

合著者伊万·维拉·马伦博士补充道：“我们已经证明，石墨烯中的电子光学不仅可以引导电子，还能以自旋依赖的方式主动塑造它们的路径。能够以这种方式使用低功耗和可扩展材料控制自旋，使我们更接近实用的自旋基技术和未来的量子系统。”