新型石墨烯纳米带：开启量子技术新篇章

在量子技术蓬勃发展的当下，新加坡国立大学（NUS）的研究人员取得了一项重大突破，成功研发出一种有望推动量子技术发展的新型材料 ——Janus 石墨烯纳米带（JGNR）。

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一、研究背景与团队

来自新加坡国立大学化学系的副教授陆炯（Jiong Lu）及其团队在国际合作伙伴的协作下，主导了此次研究。这一跨学科的研究团队汇聚了合成化学家、材料科学家和理论物理学家的智慧，其中包括美国加州大学伯克利分校的史蒂文・G・路易教授（Steven G Louie）、日本京都大学的坂口浩教授（Hiroshi Sakaguchi）等。此次研究成果于 2025 年 1 月 9 日发表在著名科学期刊《自然》上。

二、Janus 石墨烯纳米带的特性与结构

石墨烯纳米带是一种纳米尺度的蜂窝状碳结构窄带，其原子的 π 轨道中未成对电子的行为使其展现出显著的磁性。而 JGNR 作为一种独特的石墨烯纳米带，具有特殊的锯齿状边缘，且仅在其中一个边缘存在特殊的铁磁边缘态。这种独特设计成功实现了一维铁磁自旋链，为量子电子学和量子计算领域带来了重要的应用潜力。

以古罗马神话中代表开始和结束的两面神 Janus 命名，这种材料恰如其名，在两侧呈现出不同的性质。其创新的结构设计使得只有纳米带的一侧边缘为锯齿状，通过采用 Z 形前体设计，在锯齿状边缘引入六边形碳环的周期性阵列，打破了纳米带的结构和自旋对称性，从而成为世界上首个一维铁磁碳链。

三、制备方法与技术突破

在制备 JGNR 时，研究人员首先运用传统的溶液化学方法设计并合成了一系列特殊的 “Z 形” 分子前体。随后，利用一种在超净环境下进行的新型固相化学反应 —— 表面合成技术，对这些前体进行后续处理。这种方法使研究人员能够在原子层面精确控制石墨烯纳米带的形状和结构。

“Z 形” 设计的精妙之处在于，能够通过独立修改两个分支中的一个来实现不对称制造，从而创造出理想的 “缺陷” 边缘，同时保持另一个锯齿状边缘不变。并且，通过调整修改分支的长度，还可以对 JGNR 的宽度进行调制。借助先进的扫描探针显微镜 / 光谱学和第一性原理密度泛函理论进行表征，证实了成功制备出仅在单锯齿边缘具有铁磁基态的 JGNR。

四、研究意义与展望

陆炯副教授表示：“由融合苯环形成的磁性石墨烯纳米带，因其长自旋相干时间和在室温下工作的潜力，为量子技术提供了巨大的发展空间。在这样的系统中创建一维单锯齿边缘，对于实现量子技术中多个自旋量子比特的自下而上组装而言，虽然极具挑战性，但却是至关重要的任务。”

此次新型 JGNR 的合理设计与表面合成，不仅在概念和实验上实现了一维铁磁链的突破，拓展了精确调控奇异量子磁性的可能性，为构建新一代量子比特的稳健自旋阵列奠定了基础，还使得制造具有可调带隙的一维自旋极化传输通道成为可能，有望推动碳基自旋电子学在一维极限下的发展。这一成果无疑为量子技术的未来发展注入了新的活力，也让人们对基于石墨烯纳米带的量子应用充满期待。

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