研究背景
鋸齒邊緣石墨烯納米帶（ZGNRs）是具有特殊電子和磁性性質(zhì)的二維材料，因其獨特的拓撲結(jié)構(gòu)而成為研究熱點。ZGNRs的電子態(tài)通常表現(xiàn)為自旋極化的邊緣態(tài)，這使其在量子自旋電子學、量子計算等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)的ZGNRs由于存在跨邊緣的磁耦合，通常表現(xiàn)為反鐵磁耦合的自旋有序邊緣態(tài)，這限制了其在鐵磁輸運通道和量子自旋鏈中的應(yīng)用。為了克服這一問題，科學家們提出了一種新穎的設(shè)計方法，通過打破ZGNRs的對稱性來消除跨邊緣磁耦合，進而實現(xiàn)一維鐵磁量子自旋鏈的構(gòu)建。為此，新加坡國立大學呂炯教授課題組、京都大學Hiroshi Sakaguchi,勞倫斯伯克利國家實驗室 Steven G. Louie合作在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Janus graphene nanoribbons with localized states on a single zigzag edge”的最新論文。研究人員設(shè)計了Janus型鋸齒邊緣石墨烯納米帶（JGNRs），該材料在兩側(cè)邊緣展示了不同的拓撲特性。具體來說，通過在一個鋸齒邊緣引入苯環(huán)拓撲缺陷陣列，打破了結(jié)構(gòu)對稱性，并在每個單元格內(nèi)創(chuàng)造了亞晶格不平衡，進而引發(fā)了自旋對稱性的破缺。該設(shè)計不僅實現(xiàn)了鐵磁基態(tài)，而且能夠在沒有電場、應(yīng)變或化學修飾的情況下實現(xiàn)完全自旋極化的電流傳輸。這一發(fā)現(xiàn)為未來碳基量子電子學的發(fā)展提供了新的路徑，并為量子自旋物理學和量子計算中的多量子比特糾纏研究提供了有力支持。
研究亮點
- 實驗首次設(shè)計和合成了Janus型鋸齒邊緣石墨烯納米帶（JGNRs），并成功實現(xiàn)了鐵磁基態(tài)的局域化。通過引入拓撲缺陷陣列，打破了ZGNRs的結(jié)構(gòu)對稱性，使得自旋對稱性發(fā)生破缺，進而在JGNRs的原始鋸齒邊緣實現(xiàn)了鐵磁狀態(tài)。這一結(jié)果為一維鐵磁量子自旋鏈的研究提供了新的方向。
- 實驗通過掃描探針顯微術(shù)、光譜學表征和第一性原理計算，確認了JGNRs的成功制備及其鐵磁基態(tài)特性。在表面合成過程中，通過優(yōu)化缺陷陣列的格距，完全熄滅了“缺陷”邊緣的磁性邊緣態(tài)，從而確保了鐵磁基態(tài)的局域化。這些結(jié)果驗證了JGNRs在碳基鐵磁輸運通道中的潛力，推動了量子自旋物理和量子電子學的進一步發(fā)展。
- 實驗通過設(shè)計和合成多個Z形前體，成功構(gòu)建了母體ZGNR和兩個JGNRs，表明該方法可用于制造具有不同邊緣構(gòu)型的納米帶。該策略打破了傳統(tǒng)ZGNRs的對稱性問題，為未來在量子電子學中的應(yīng)用提供了新的思路，尤其在一維極限下的完全自旋極化電流傳輸方面具有重要意義。
圖文解讀
圖 2: JGNRs 的表面合成與結(jié)構(gòu)表征
圖 4: JGNRs 的電子結(jié)構(gòu)
總結(jié)展望
本文通過設(shè)計和合成具有不同邊緣結(jié)構(gòu)的Janus型鋸齒邊緣石墨烯納米帶（JGNRs），為磁性量子材料的研究開辟了新的方向。研究表明，通過打破ZGNR的結(jié)構(gòu)對稱性，可以有效地誘導(dǎo)出鐵磁自旋有序的邊緣態(tài)，這種設(shè)計不僅為一維鐵磁量子自旋鏈的實現(xiàn)提供了可能，也為量子比特的組裝和碳基鐵磁輸運通道的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。這些發(fā)現(xiàn)表明，邊緣態(tài)在決定材料的電子和磁性性質(zhì)中起著關(guān)鍵作用，尤其是在低維度系統(tǒng)中，邊緣效應(yīng)更加顯著。此外，DFT計算與實驗結(jié)果的結(jié)合為我們提供了量子材料設(shè)計的有力工具，表明通過合理的拓撲缺陷設(shè)計，可以實現(xiàn)對自旋和帶隙的精確控制。這些成果不僅深化了對石墨烯納米帶磁性機制的理解，也為未來在量子信息處理和納米電子學中的應(yīng)用提供了新的思路和路徑。 Song, S., Teng, Y., Tang, W. et al. Janus graphene nanoribbons with localized states on a single zigzag edge. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08296-x
