Janus+石墨烯纳米带新材料突破将开启量子计算的新空间

2025年01月15日09:21 来源：Carbontech

慧正资讯，石墨烯因其优异的机械、电学和热学性能备受瞩目。而在石墨烯的家族中，石墨烯纳米带（GNRs）因其边缘特性与量子效应，更是展示了独特的应用潜力。

新加坡国立大学的研究人员最近在下一代碳基量子材料的开发中取得了重大突破，为量子电子学的进步开辟了新的视野。研究人员揭示了一种名为Janus石墨烯纳米带（JGNRs）的创新结构，突破了传统对称锯齿边缘石墨烯纳米带（ZGNRs）的局限，为量子计算与自旋电子学开辟了新的路径。

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).

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08296-x

什么是Janus石墨烯纳米带？

Janus这个名字来源于罗马神话中的双面神，象征一种材料两面呈现截然不同的特性。Janus石墨烯纳米带是一种非对称结构的纳米材料，它的两侧边缘截然不同。一侧是传统的锯齿状边缘，另一侧则加入了一系列精确设计的缺陷——这些缺陷其实是周期性排列的小苯环分子。这种结构上的不对称性彻底改变了石墨烯纳米带的量子性质，尤其是在磁性和电子传导方面展现出独特优势。

传统石墨烯纳米带的两侧边缘因为对称性，其磁性互相抵消，形成的是“反铁磁性”，即两个边缘的电子自旋方向相反。而在Janus纳米带中，一侧的缺陷设计巧妙地“关闭”了这边的磁性，使另一侧的磁性得以完全发挥，从而形成“铁磁性”状态。这种单边铁磁性状态是量子计算和高效电子器件的理想选择。

Janus设计的科学原理

要理解Janus石墨烯纳米带的设计，首先需要了解两个核心理论：Lieb定理和拓扑分类理论。这些理论指出，在一些特殊的晶格结构中，适当的缺陷设计可以在量子层面引发显著的磁性变化。科学家发现，通过在石墨烯纳米带的一侧引入周期性的苯环阵列，可以打破其结构对称性并在量子尺度上制造“自旋极化”的状态。

设计时，一个关键问题是缺陷之间的间距如何安排。通过反复计算和实验，研究团队发现，当缺陷的间距是两倍苯环大小（用符号“m=2”表示）时，材料表现出最理想的特性：一侧的磁性完全被抑制，另一侧形成了纯净的铁磁性边缘态。这种精确控制的能力为材料功能的进一步拓展提供了无限可能。

实验如何实现？

从理论到实际操作，Janus石墨烯纳米带的制备充满挑战。研究人员采用了一种叫“分子搭积木”的方法。首先，他们合成了一种特殊的Z形分子前驱体。这种分子可以看作是材料的“模具”，决定了最终纳米带的形状。前驱体分子的两端分别带有不同的化学基团，允许研究者灵活调整其边缘结构。

在实验中，这些前驱体分子被均匀地沉积在金基底上。通过多步加热处理，这些分子逐渐结合在一起，形成了目标结构的Janus石墨烯纳米带。在整个过程中，科学家使用了扫描隧道显微镜和非接触式原子力显微镜对材料进行实时观测，以确保结构精确符合设计。

最终，他们成功制造出了两种不同宽度的Janus纳米带，分别是(4,2)-JGNR和(5,2)-JGNR。这些结构在显微镜下表现出清晰的对称性破缺特征：普通锯齿边缘显示出规则的六边形图案，而缺陷边缘则表现出明显的“突起”，对应于周期性苯环的排列。

材料的性能有多特别？

制备成功的Janus石墨烯纳米带展现出一系列强悍的性能，尤其是在磁性和电子传输方面。实验表明，这种材料在普通锯齿边缘可以形成铁磁性边缘态，也就是说，这一侧的电子自旋方向高度一致，可以用来传导单一方向的电流。而在引入缺陷的一侧，磁性被完全抑制，电子传输状态变得非常稳定。

更重要的是，科学家通过扫描隧道光谱和第一性原理密度泛函理论计算发现，这种材料的能带结构有独特的分裂现象。在接近导体和绝缘体的“临界点”上，Janus石墨烯纳米带展现出强大的稳定性和控制能力，这对于制造高性能电子器件至关重要。

潜在应用前景

Janus石墨烯纳米带的独特特性让它在多个高科技领域展现出巨大的应用潜力：

· 量子计算。量子计算机需要材料能够精确控制电子的自旋状态，而Janus纳米带的单边铁磁性正是量子比特的理想材料。

· 自旋电子学。传统电子器件利用的是电子的电荷，而自旋电子学则利用电子的自旋来存储和传输信息。Janus纳米带的自旋极化特性能够极大提高数据存储密度和传输速度。

· 高密度存储器。在未来的数据存储设备中，Janus纳米带有望作为核心材料实现更高的存储容量和更低的能耗。

· 纳米传感器。由于其敏感的电子结构，Janus石墨烯纳米带可以用作高灵敏度传感器，用于检测极其微小的环境变化。

未来的挑战与机遇

尽管Janus石墨烯纳米带在实验室中取得了突破性进展，但要将其推广到实际应用仍然面临诸多挑战。例如，目前的制备过程复杂且成本较高，难以实现大规模生产。此外，如何让这种材料在真实环境下保持稳定性也是一个需要解决的问题。

然而，随着科学技术的不断进步，这些问题都可能被逐步攻克。从长远来看，Janus石墨烯纳米带有潜力成为下一代电子和量子设备的核心材料，彻底改变我们使用科技的方式。

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