石墨烯，再登Nature！
学术
2025-01-19 08:19
河南
石墨烯因其优异的电学、热学和力学性能，已成为广泛研究的材料，尤其在电子学、能源存储和量子计算等领域具有重要应用。然而，传统的石墨烯材料在边缘效应方面存在挑战，特别是在锯齿边缘石墨烯纳米带（ZGNRs）中，由于自旋的反铁磁耦合，导致其无法有效用于高效的量子自旋链和铁磁输运通道的设计。因此，如何突破这一限制并实现可调控的自旋态，成为了一个亟待解决的关键问题。近年来，Janus型材料作为一种具有对称性破缺的新型材料，引起了广泛关注，尤其是在二维材料领域，Janus结构不仅能够调控材料的电子和自旋性质，还为量子计算、电子学等应用提供了新的解决思路。为此，新加坡国立大学吕炯教授课题组、京都大学Hiroshi Sakaguchi,劳伦斯伯克利国家实验室 Steven G. Louie等人携手在Nature期刊上发表了题为“Janus graphene nanoribbons with localized states on a single zigzag edge”的最新论文。近日，来自某课题组的研究者在Janus锯齿边缘石墨烯纳米带（JGNRs）领域取得了新进展。该团队通过引入拓扑缺陷阵列的苯环图案，成功设计并制备了具有两种不同边缘构型的JGNRs，突破了传统ZGNRs的对称性限制，打破了结构对称性并在单元格内产生了亚晶格不平衡，从而实现了自旋对称性的破缺。这一创新的设计方法使得JGNRs在基态上表现出铁磁特性，并且该铁磁基态局域于原始的锯齿边缘。通过扫描探针显微术和光谱学表征，结合第一性原理的密度泛函理论计算，研究团队验证了该设计的成功实现，表明JGNRs具有优异的磁性和电子性能。此外，这项工作不仅为量子自旋链的设计和多量子比特的组装提供了新的方向，还为开发具有铁磁输运通道的碳基量子电子器件奠定了基础。研究者们通过这一方法，显著提升了JGNRs的性能，成功获取了可用于下一代量子计算和自旋电子学的铁磁材料。这项研究为未来碳基量子电子学的实际应用提供了新的技术路径和理论支持。1. 实验首次设计和制备了Janus型锯齿边缘石墨烯纳米带（JGNRs），通过在一个锯齿边缘引入苯环拓扑缺陷阵列，而保持对侧边缘不变，从而打破了ZGNRs的结构对称性。这种设计使得每个单元格内部出现了亚晶格不平衡，进而引发了自旋对称性的破缺，成功实现了铁磁基态的局域化。2. 实验通过扫描探针显微术、光谱学表征以及第一性原理计算，确认了JGNRs的铁磁基态，并且该基态主要局域于原始的锯齿边缘。这表明，通过这种Janus设计的GNRs可以实现一维铁磁量子自旋链，并且有潜力应用于量子计算和自旋电子学领域。3. 实验通过设计和合成Z形前体，并优化缺陷阵列的格距，成功制备了JGNRs，并有效消除了“缺陷”边缘的磁性边缘态。与传统的ZGNRs相比，该方法不依赖外加电场、应变或化学修饰，从而实现了完全自旋极化的电流输运通道。这为GNR基量子电子学器件的最终尺度化提供了重要的技术突破。
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图 4: JGNRs 的电子结构
本文的研究为锯齿边缘石墨烯纳米带（GNRs）在量子自旋物理和量子电子学中的应用提供了新的思路。首先，作者提出了一种通过Janus型GNRs（JGNRs）设计打破结构对称性，成功引入铁磁边缘态的策略。这一创新设计不仅实现了一维铁磁量子自旋链的构建，还为量子比特的组装与操控提供了新的平台。此外，通过DFT计算与实验结果的结合，研究揭示了不同宽度的JGNRs在费米能级附近的电子结构特征，尤其是边缘态的自旋分裂现象，为量子传输通道的设计提供了理论支持。该工作还展示了通过控制拓扑缺陷阵列的方式，能够精确调控自旋对称性的破缺，从而为下一代碳基量子器件的发展铺平道路。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🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
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