我室通过碳原子的协同“四重奏”在石墨烯分子条带中实现自旋量子通道转换

近日，我室曾长淦教授研究组与合肥微尺度物质科学国家实验室国际功能材料量子设计中心崔萍博士理论与实验互动性合作，在石墨烯分子条带自旋电子学研究方面取得重要新进展，证明在锯齿型石墨烯分子条带间引入碳四元环，可以有效地打破边缘自旋量子通道的简并度，并以100%的可靠率翻转边缘态的自旋取向，以电荷掺杂的形式选择与控制所需要的单一自旋通道，从而多方位地展示了未来自旋电子学中不可或缺的自旋开关功能，同时实验上也制备出碳四元环连接的石墨烯分子条带。该研究成果以“Carbon Tetragons as Definitive Spin Switches in Narrow Zigzag Graphene Nanoribbons”为题于1月14日在线发表在国际权威物理学杂志《物理评论快报》上。

石墨烯材料的自旋极化态在自旋电子学的基础与应用研究中受到广泛关注。以往的研究集中在锯齿型石墨烯纳米条带的两个边缘自旋态，及其通过电场、磁场、结构裁剪和掺杂等方法对边缘自旋态的有效调控。最近，崔萍博士与曾长淦教授的合作团队构思了一种新的拓扑结构来控制石墨烯纳米条带体系自旋传播通道的空间分布，从而从概念上实现自旋开关这一基本单元。首先，曾长淦教授研究组在实验上观察到在石墨烯分子条带之间可能通过碳四元环连接。然后，崔萍博士与合作者利用基于量子力学的第一性原理计算证明在最窄的石墨烯分子条带的合适位置引入碳四元环，可以先将石墨烯分子条带两个边缘的自旋通道有效地捆绑，再通过碳四元环翻转两个输出自旋通道的自旋取向，实现自旋转换功能。进一步研究表明，这种碳四元环结构导致两个自旋通道退简并，使得通过电荷掺杂来激活或抑制某一自旋通道成为可能，从而实现自旋开关功能。最后，实验上通过Au（110）表面准一维重构的辅助，在并五苯分子的脱氢环化反应中制备合成了这种理想的碳四元环连接的石墨烯分子条带。该工作为自旋电子学的发展提供了一个基本逻辑单元，有望有广阔的应用前景。

图注：通过碳原子“四重奏”实现自旋开关的概念示意图自旋通道自旋。

上述研究得到了基金委、中科院、科技部和教育部的资助。

论文链接：

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.026802