Janus石墨烯纳米带有望推进量子技术

新加坡国立大学（NUS）的研究人员最近在开发下一代碳基量子材料方面取得了重大突破，为量子电子学的进步开辟了新的前景

这项创新涉及一种新型石墨烯纳米带（GNR），名为Janus GNR（JGNR）。该材料具有独特的锯齿形边缘，其中一个边缘上具有特殊的铁磁边缘状态。这种独特的设计能够实现一维铁磁自旋链，这在量子电子学和量子计算中具有重要应用

该研究由新加坡国立大学化学系副教授陆炯及其团队与国际合作伙伴共同领导，并发表在《自然》杂志上

石墨烯纳米带是纳米级蜂窝碳结构的窄条，由于原子π轨道中未配对电子的行为，表现出显著的磁性。通过将它们的边缘结构原子精确地设计成锯齿形排列，可以构建一维自旋极化通道

这一功能为自旋电子器件的应用或作为下一代多量子比特系统提供了巨大的潜力，这些是量子计算的基本构建块

古罗马的开始和结束之神Janus经常被描绘成有两张指向相反方向的脸，代表过去和未来。“Janus”一词在材料科学中被用来描述在相反侧面具有不同性质的材料。JGNR具有一种新颖的结构，只有一条带状边缘呈锯齿形，使其成为世界上第一条一维铁磁碳链

这种设计是通过采用Z形前驱体设计实现的，该设计在锯齿形边缘之一上引入了六边形碳环的周期性阵列，打破了带的结构和自旋对称性

鲁副教授说：“磁性石墨烯纳米带——由稠合苯环形成的窄条石墨烯——由于其长自旋相干时间和在室温下运行的潜力，为量子技术提供了巨大的潜力。在这种系统中创建一维单锯齿边是实现量子技术中多自旋量子比特自下而上组装的一项艰巨而重要的任务。”

这一重大成就是合成化学家、材料科学家和理论物理学家密切合作的结果，包括美国加州大学伯克利分校的Steven G Louie教授、日本京都大学的Hiroshi Sakaguchi教授和其他撰稿人

创建Janus石墨烯纳米带

为了生产JGNR，研究人员最初通过传统的溶液化学设计和合成了一系列特殊的“Z形”分子前体。这些前体随后用于后续的表面合成，这是一种在超清洁环境中进行的新型固相化学反应。这种方法使研究人员能够在原子水平上精确控制石墨烯纳米带的形状和结构

Z形设计允许通过独立修改两个分支中的一个来进行不对称制造，从而产生所需的“缺陷”边缘，同时保持另一个锯齿形边缘不变。此外，调整修改后的分支的长度可以调制JGNR的宽度

通过最先进的扫描探针显微镜/光谱学和第一原理密度泛函理论进行表征，证实了JGNR的成功制造，其铁磁基态仅沿单个锯齿边缘定位

“一类新型JGNR的合理设计和表面合成代表了实现一维铁磁链的概念和实验突破。创建这样的JGNR不仅扩大了精确工程设计奇异量子磁性的可能性，而且能够将稳健的自旋阵列组装成新一代量子位。

”此外，它能够制造具有可调带隙的一维自旋极化传输通道，这可以在一维极限下推进碳基自旋电子学，”陆副教授补充道