在二維材料中“長”出原子級磁子通道，讓自旋信號在納米芯片里更遠、更穩、更少串擾地傳輸。

導讀

在后摩爾時代，芯片集成度的提升面臨功耗與信號干擾的根本性挑戰。利用電子自旋（而非電荷）進行信息處理的磁子學，被視為破局的關鍵方向。然而，當磁子器件像晶體管一樣高度密集排布時，自旋波信號會向四周擴散，導致嚴重的鄰近串擾，如同沒有隔離帶的多車道高速路必然擁堵。近日，北京大學物理學院、輕元素量子材料交叉平臺陳劍豪研究員團隊在二維阻挫條紋狀反鐵磁體鉻氧氯（CrOCl）中取得重大發現，首次實驗觀測到由“磁子平帶”這一特殊量子態誘導的準一維長程磁子自旋輸運。該研究揭示，在CrOCl原子級的自旋條紋結構中，磁子沿晶體特定方向（a軸）的傳輸能力顯著增強，衰減長度可達7微米，而垂直方向（b軸）的傳輸則被強烈抑制，形成了天然的“磁子單行道”。這一發現不僅從物理原理上為構筑原子尺度的自旋信息定向通道提供了全新范式，更從根本上為解決未來高密度磁子集成電路的信號串擾難題開辟了道路。相關成果于2026年3月21日在線發表于國際頂級期刊《自然·通訊》。

Part 1

科學背景：

高集成度下的"信號串擾"困境

隨著集成電路逼近物理極限，基于電子自旋屬性進行低功耗信息處理的磁子學備受關注。磁子作為自旋集體激發的準粒子，是理想的信息載體。然而，磁子器件走向高密度集成時，一個根本難題隨之浮現：每個器件產生的自旋波會像水面的漣漪般向四周擴散，在納米尺度的密集陣列中，這些“漣漪”必然相互重疊、干擾，導致器件無法準確工作。傳統思路試圖在三維材料中人工制造磁疇來引導磁子，但最小尺度也在百納米級，且工藝復雜。能否在更基礎的層面，找到一種材料本身就能提供原子級別的、天然的信號隔離通道，成為領域內亟待解決的核心科學問題。

Part 2

技術揭秘：

能帶"塑造"的原子級信息專線

研究團隊將目光投向了二維范德瓦爾斯材料CrOCl。這種材料具有天然的“阻挫條紋狀反鐵磁”序，其內部的鉻離子自旋沿a軸方向整齊排列，形成一條條鐵磁性的“原子鏈”；而沿b軸方向，這些原子鏈之間則呈現周期性的反鐵磁耦合，整體結構如同在原子尺度雕刻出的周期性條紋。這一獨特的自旋結構，在其磁子能帶上留下了深刻烙印：計算顯示，沿b軸方向的磁子能帶是近乎平坦的“平帶”。

“平帶”是理解整個突破的關鍵。在通常的能帶中，粒子（如磁子）的能量隨動量變化，因而可以快速傳播。而平帶則意味著，在這個方向上，磁子的能量幾乎不隨動量改變，其有效傳播速度趨近于零，相當于一條“堵塞”的通道。這產生了一種奇妙的"動力學通道化"效應：由于b軸方向傳播受阻，磁子被“迫使”選擇沿a軸這條“高速公路”進行遠距離傳輸。研究團隊通過精密的非局域磁子輸運測量證實了這一效應：磁子沿a軸的衰減長度達到7微米，優于多數二維磁性體系；而a、b兩軸衰減長度之比約為4，與理論預測值3.8高度吻合。這相當于在原子尺度上，自然形成了一條方向性強、串擾極低的“磁子信息專線”。

Part 3

產業關聯：

為下一代信息技術的底層架構奠基

此項基礎研究的突破，為多個前沿產業領域提供了變革性的技術原理。

1.高密度、無串擾磁子芯片：該原理指出，無需復雜的外部圖案化工藝，利用材料本征的原子級條紋結構和能帶特性，即可實現自旋信號的定向、低耗散傳輸。這為設計新一代高密度磁子邏輯電路、存儲單元及互連線提供了全新的物理基礎與材料平臺，有望從根本上解決集成化道路上的信號串擾瓶頸。

2.新型磁傳感與探測器件：這種對方向極度敏感、對外界擾動響應迅速的一維自旋通道，是構建納米尺度超高靈敏度磁傳感器的理想載體。未來可在高分辨磁成像、微觀磁結構探測乃至生物體微弱心磁、腦磁信號檢測等領域發揮重要作用。

3.量子信息互聯的“量子總線”：磁子能與超導量子比特、微波光子等多種量子系統耦合。一條低損耗、可調控的一維磁子通道，可作為理想的“量子總線”，在芯片上高效連接分布式的量子比特，為大規模量子計算與量子網絡的構建提供關鍵互聯技術。

Part 4

總結與展望

北京大學陳劍豪團隊在二維材料CrOCl中發現由本征磁子平帶誘導的準一維長程自旋輸運，是一項“從0到1”的原創性突破。它超越了通過幾何約束或外場調控實現定向輸運的傳統思路，開創了通過能帶工程在原子尺度“設計”自旋信息通道的新范式。

展望未來，研究將朝著材料拓展與主動調控兩個方向深入：一是探尋更多具有類似平帶量子態的二維磁性材料，構建“材料工具箱”；二是探索利用電場、應力等外場手段，對這種一維磁子通道的傳輸效率進行動態調控乃至開關，從而實現邏輯功能。盡管當前研究在極低溫下進行，但其揭示的物理原理具有普適性。隨著材料生長、器件制備技術的進步，這種源自材料本征量子特性的“原子級磁子高速路”，有望從實驗室的非凡現象，走向可設計、可集成的未來自旋信息技術的核心架構。

科研團隊信息

本研究由北京大學物理學院、輕元素量子材料交叉平臺陳劍豪研究員團隊主導，并與北京量子信息科學研究院、復旦大學、清華大學等單位合作完成。北京大學博士生羅秉誠和陳滿堂為共同第一作者，北京量子院陳迪助理研究員、北京大學博士后齊少勉和陳劍豪研究員為共同通訊作者。研究工作獲得了國家重點研發計劃“物態調控”重點專項、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項等國家級項目支持。

本項研究的核心實驗觀測與理論闡釋工作，主要依托北京大學位于懷柔科學城的輕元素量子材料交叉平臺所具備的國際一流綜合極端條件（極低溫、強磁場）與精密測量系統完成。該平臺為在原子尺度制備、表征與調控二維量子材料提供了關鍵支撐。此項成果是高校國家級科研平臺與懷柔綜合性國家科學中心深度融合、協同創新的典型范例，也是懷柔科學城支撐重大原創基礎研究、攻克前沿核心技術“從0到1”突破的生動實踐。

來源：懷柔科學城城市客廳新媒體中心 張耀

編輯：柯欣

審核：王汝霖

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