石墨烯，2025首篇Nature！

近期，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。研究人员设计了Janus型锯齿边缘石墨烯纳米带（JGNRs），该材料在两侧边缘展示了不同的拓扑特性。

研究背景

锯齿边缘石墨烯纳米带（ZGNRs）是具有特殊电子和磁性性质的二维材料，因其独特的拓扑结构而成为研究热点。ZGNRs的电子态通常表现为自旋极化的边缘态，这使其在量子自旋电子学、量子计算等领域具有重要应用前景。然而，传统的ZGNRs由于存在跨边缘的磁耦合，通常表现为反铁磁耦合的自旋有序边缘态，这限制了其在铁磁输运通道和量子自旋链中的应用。为了克服这一问题，科学家们提出了一种新颖的设计方法，通过打破ZGNRs的对称性来消除跨边缘磁耦合，进而实现一维铁磁量子自旋链的构建。

具体来说，通过在一个锯齿边缘引入苯环拓扑缺陷阵列，打破了结构对称性，并在每个单元格内创造了亚晶格不平衡，进而引发了自旋对称性的破缺。该设计不仅实现了铁磁基态，而且能够在没有电场、应变或化学修饰的情况下实现完全自旋极化的电流传输。这一发现为未来碳基量子电子学的发展提供了新的路径，并为量子自旋物理学和量子计算中的多量子比特纠缠研究提供了有力支持。

研究亮点

实验首次设计和合成了Janus型锯齿边缘石墨烯纳米带（JGNRs），并成功实现了铁磁基态的局域化。通过引入拓扑缺陷阵列，打破了ZGNRs的结构对称性，使得自旋对称性发生破缺，进而在JGNRs的原始锯齿边缘实现了铁磁状态。这一结果为一维铁磁量子自旋链的研究提供了新的方向。

实验通过扫描探针显微术、光谱学表征和第一性原理计算，确认了JGNRs的成功制备及其铁磁基态特性。在表面合成过程中，通过优化缺陷阵列的格距，完全熄灭了「缺陷」边缘的磁性边缘态，从而确保了铁磁基态的局域化。这些结果验证了JGNRs在碳基铁磁输运通道中的潜力，推动了量子自旋物理和量子电子学的进一步发展。

实验通过设计和合成多个Z形前体，成功构建了母体ZGNR和两个JGNRs，表明该方法可用于制造具有不同边缘构型的纳米带。该策略打破了传统ZGNRs的对称性问题，为未来在量子电子学中的应用提供了新的思路，尤其在一维极限下的完全自旋极化电流传输方面具有重要意义。

图文解读

图1 | JGNRs的设计原理。

图2 | JGNRs的表面合成与结构表征。

图3 | 5-ZGNR的制造与表征。

图4 | JGNRs的电子结构。

总结展望

本文通过设计和合成具有不同边缘结构的Janus型锯齿边缘石墨烯纳米带（JGNRs），为磁性量子材料的研究开辟了新的方向。研究表明，通过打破ZGNR的结构对称性，可以有效地诱导出铁磁自旋有序的边缘态，这种设计不仅为一维铁磁量子自旋链的实现提供了可能，也为量子比特的组装和碳基铁磁输运通道的开发奠定了基础。这些发现表明，边缘态在决定材料的电子和磁性性质中起着关键作用，尤其是在低维度系统中，边缘效应更加显著。此外，DFT计算与实验结果的结合为我们提供了量子材料设计的有力工具，表明通过合理的拓扑缺陷设计，可以实现对自旋和带隙的精确控制。这些成果不仅深化了对石墨烯纳米带磁性机制的理解，也为未来在量子信息处理和纳米电子学中的应用提供了新的思路和路径。

原文详情：

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

来源：半导体技术情报 ，爱科会易仅用于学术交流。