Phys. Rev. Lett.：石墨烯纳米带的拓扑相-连接状态、自旋中心和量子自旋链

【引言】

对材料电子基态的拓扑结构的认识，使我们对诸如整数量子霍尔效应、费米子数分解等新现象以及物质的其他性质有了深入的认识。连接不同拓扑结构类别的两个绝缘体在带隙中产生有趣的局部边界状态。最近一个令人兴奋的研究进展是石墨烯纳米带（GNR）的自下而上的合成，其边缘和宽度的控制可达原子精度。GNR是具有可调谐电子特性的准1D系统，在纳米电子学和其他方面有着巨大的前景。

【成果简介】

近日，加州大学伯克利分校的雷干城院士（通讯作者）等人在Phys. Rev. Lett.上发表了题为“Topological Phases in Graphene Nanoribbons: Junction States, Spin Centers, and Quantum Spin Chains”的文章。这项研究工作表明，不同宽度、边界、末端的半导体石墨烯纳米带（GNR）（可由原子精度的分子前体合成）属于不同的电子拓扑结构类别。GNR的拓扑相由空间对称性维系，并由最终的晶胞决定。文章中，作者为它们的拓扑不变量推导出明确的公式，并阐述了在不同拓扑结构的两个GNR之间形成的局部连接状态可以通过横向连接几何来调整。GNR的拓扑可以通过掺杂剂进一步修饰，例如硼原子的周期性排列。在由掺杂和原始GNR的片段组成的超晶格中，连接状态是稳定的自旋中心，形成具有可调谐交换相互作用的海森堡反铁磁旋转1/2链。这项发现不仅对研究准一维系统有所帮助，还为以后基于GNR的设备的设计原则开辟了新的路径。

【图文导读】

图一：9AGNR和7AGNR形成的异质结

(a) 两个拓扑等效段之间的9AGNR和7AGNR形成的异质结。

(b) 两个拓扑非等效段之间的9AGNR和7AGNR形成的异质结。

图二：硼掺杂石墨烯纳米带

(a) 周期性掺杂硼对（B2-7AGNR）的N = 7 AGNR的结构。

(b) 用ab initio GW方法计算得出的B2-7AGNR的带结构。

(c) 具有s和p对称性的掺杂轨道的波函数。

图三：掺杂原始AGNR超晶格

(a) 7AGNR / B2-7AGNR超晶格的结构。

(b) 一维反铁磁海森堡自旋1/2链的示意图。

(c) 通过从头算得出，在海森堡模型中的交换参数与分离距离的函数关系。

【小结】

在这篇文章中，作者证明了在AGNR系统中存在对称保护的拓扑相、连接状态和自旋中心。这些可被推广到具有多个占用频带的不同形式的GNR和其他准1D系统。例如，人造GNR和Coveged GNRs（最近合成的）以及碳纳米管都具有由空间对称性保护的拓扑相。

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

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

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