Phys. Rev. Lett.：石墨烯納米帶的拓撲相-連接狀態、自旋中心和量子自旋鏈

【引言】

對材料電子基態的拓撲結構的認識，使我們對諸如整數量子霍爾效應、費米子數分解等新現象以及物質的其他性質有了深入的認識。連接不同拓撲結構類別的兩個絕緣體在帶隙中產生有趣的局部邊界狀態。最近一個令人興奮的研究進展是石墨烯納米帶（GNR）的自下而上的合成，其邊緣和寬度的控制可達原子精度。GNR是具有可調諧電子特性的準1D系統，在納米電子學和其他方面有著巨大的前景。

【成果簡介】

近日，加州大學伯克利分校的雷干城院士（通訊作者）等人在Phys. Rev. Lett.上發表了題為“Topological Phases in Graphene Nanoribbons: Junction States, Spin Centers, and Quantum Spin Chains”的文章。這項研究工作表明，不同寬度、邊界、末端的半導體石墨烯納米帶（GNR）（可由原子精度的分子前體合成）屬于不同的電子拓撲結構類別。GNR的拓撲相由空間對稱性維系，并由最終的晶胞決定。文章中，作者為它們的拓撲不變量推導出明確的公式，并闡述了在不同拓撲結構的兩個GNR之間形成的局部連接狀態可以通過橫向連接幾何來調整。GNR的拓撲可以通過摻雜劑進一步修飾，例如硼原子的周期性排列。在由摻雜和原始GNR的片段組成的超晶格中，連接狀態是穩定的自旋中心，形成具有可調諧交換相互作用的海森堡反鐵磁旋轉1/2鏈。這項發現不僅對研究準一維系統有所幫助，還為以后基于GNR的設備的設計原則開辟了新的路徑。

【圖文導讀】

圖一：9AGNR和7AGNR形成的異質結

(a) 兩個拓撲等效段之間的9AGNR和7AGNR形成的異質結。

(b) 兩個拓撲非等效段之間的9AGNR和7AGNR形成的異質結。

圖二：硼摻雜石墨烯納米帶

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(a) 周期性摻雜硼對（B2-7AGNR）的N = 7 AGNR的結構。

(b) 用ab initio GW方法計算得出的B2-7AGNR的帶結構。

(c) 具有s和p對稱性的摻雜軌道的波函數。

圖三：摻雜原始AGNR超晶格

(a) 7AGNR / B2-7AGNR超晶格的結構。

(b) 一維反鐵磁海森堡自旋1/2鏈的示意圖。

(c) 通過從頭算得出，在海森堡模型中的交換參數與分離距離的函數關系。

【小結】

在這篇文章中，作者證明了在AGNR系統中存在對稱保護的拓撲相、連接狀態和自旋中心。這些可被推廣到具有多個占用頻帶的不同形式的GNR和其他準1D系統。例如，人造GNR和Coveged GNRs（最近合成的）以及碳納米管都具有由空間對稱性保護的拓撲相。

文獻鏈接：Topological Phases in Graphene Nanoribbons: Junction States, Spin Centers, and Quantum Spin Chains（Phys. Rev. Lett.2017，DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.076401）

本文由材料人編輯部計算材料組daoke供稿，材料牛整理編輯。

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