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Janus+石墨烯納米帶新材料突破將開啟量子計算的新空間

2025年01月15日09:21 來源：Carbontech

慧正資訊，石墨烯因其優異的機械、電學和熱學性能備受矚目。而在石墨烯的家族中，石墨烯納米帶（GNRs）因其邊緣特性與量子效應，更是展示了獨特的應用潛力。

新加坡國立大學的研究人員最近在下一代碳基量子材料的開發中取得了重大突破，為量子電子學的進步開辟了新的視野。研究人員揭示了一種名為Janus石墨烯納米帶（JGNRs）的創新結構，突破了傳統對稱鋸齒邊緣石墨烯納米帶（ZGNRs）的局限，為量子計算與自旋電子學開辟了新的路徑。

原文信息：Song, S., Teng, Y., Tang, W. et al. Janus graphene nanoribbons with localized states on a single zigzag edge. Nature (2025).

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08296-x

什么是Janus石墨烯納米帶？

Janus這個名字來源于羅馬神話中的雙面神，象征一種材料兩面呈現截然不同的特性。Janus石墨烯納米帶是一種非對稱結構的納米材料，它的兩側邊緣截然不同。一側是傳統的鋸齒狀邊緣，另一側則加入了一系列精確設計的缺陷——這些缺陷其實是周期性排列的小苯環分子。這種結構上的不對稱性徹底改變了石墨烯納米帶的量子性質，尤其是在磁性和電子傳導方面展現出獨特優勢。

傳統石墨烯納米帶的兩側邊緣因為對稱性，其磁性互相抵消，形成的是“反鐵磁性”，即兩個邊緣的電子自旋方向相反。而在Janus納米帶中，一側的缺陷設計巧妙地“關閉”了這邊的磁性，使另一側的磁性得以完全發揮，從而形成“鐵磁性”狀態。這種單邊鐵磁性狀態是量子計算和高效電子器件的理想選擇。

Janus設計的科學原理

要理解Janus石墨烯納米帶的設計，首先需要了解兩個核心理論：Lieb定理和拓撲分類理論。這些理論指出，在一些特殊的晶格結構中，適當的缺陷設計可以在量子層面引發顯著的磁性變化。科學家發現，通過在石墨烯納米帶的一側引入周期性的苯環陣列，可以打破其結構對稱性并在量子尺度上制造“自旋極化”的狀態。

設計時，一個關鍵問題是缺陷之間的間距如何安排。通過反復計算和實驗，研究團隊發現，當缺陷的間距是兩倍苯環大小（用符號“m=2”表示）時，材料表現出最理想的特性：一側的磁性完全被抑制，另一側形成了純凈的鐵磁性邊緣態。這種精確控制的能力為材料功能的進一步拓展提供了無限可能。

實驗如何實現？

從理論到實際操作，Janus石墨烯納米帶的制備充滿挑戰。研究人員采用了一種叫“分子搭積木”的方法。首先，他們合成了一種特殊的Z形分子前驅體。這種分子可以看作是材料的“模具”，決定了最終納米帶的形狀。前驅體分子的兩端分別帶有不同的化學基團，允許研究者靈活調整其邊緣結構。

在實驗中，這些前驅體分子被均勻地沉積在金基底上。通過多步加熱處理，這些分子逐漸結合在一起，形成了目標結構的Janus石墨烯納米帶。在整個過程中，科學家使用了掃描隧道顯微鏡和非接觸式原子力顯微鏡對材料進行實時觀測，以確保結構精確符合設計。

最終，他們成功制造出了兩種不同寬度的Janus納米帶，分別是(4,2)-JGNR和(5,2)-JGNR。這些結構在顯微鏡下表現出清晰的對稱性破缺特征：普通鋸齒邊緣顯示出規則的六邊形圖案，而缺陷邊緣則表現出明顯的“突起”，對應于周期性苯環的排列。

材料的性能有多特別？

制備成功的Janus石墨烯納米帶展現出一系列強悍的性能，尤其是在磁性和電子傳輸方面。實驗表明，這種材料在普通鋸齒邊緣可以形成鐵磁性邊緣態，也就是說，這一側的電子自旋方向高度一致，可以用來傳導單一方向的電流。而在引入缺陷的一側，磁性被完全抑制，電子傳輸狀態變得非常穩定。

更重要的是，科學家通過掃描隧道光譜和第一性原理密度泛函理論計算發現，這種材料的能帶結構有獨特的分裂現象。在接近導體和絕緣體的“臨界點”上，Janus石墨烯納米帶展現出強大的穩定性和控制能力，這對于制造高性能電子器件至關重要。

潛在應用前景

Janus石墨烯納米帶的獨特特性讓它在多個高科技領域展現出巨大的應用潛力：

· 量子計算。量子計算機需要材料能夠精確控制電子的自旋狀態，而Janus納米帶的單邊鐵磁性正是量子比特的理想材料。

· 自旋電子學。傳統電子器件利用的是電子的電荷，而自旋電子學則利用電子的自旋來存儲和傳輸信息。Janus納米帶的自旋極化特性能夠極大提高數據存儲密度和傳輸速度。

· 高密度存儲器。在未來的數據存儲設備中，Janus納米帶有望作為核心材料實現更高的存儲容量和更低的能耗。

· 納米傳感器。由于其敏感的電子結構，Janus石墨烯納米帶可以用作高靈敏度傳感器，用于檢測極其微小的環境變化。

未來的挑戰與機遇

盡管Janus石墨烯納米帶在實驗室中取得了突破性進展，但要將其推廣到實際應用仍然面臨諸多挑戰。例如，目前的制備過程復雜且成本較高，難以實現大規模生產。此外，如何讓這種材料在真實環境下保持穩定性也是一個需要解決的問題。

然而，隨著科學技術的不斷進步，這些問題都可能被逐步攻克。從長遠來看，Janus石墨烯納米帶有潛力成為下一代電子和量子設備的核心材料，徹底改變我們使用科技的方式。

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