近日，國際頂級學術期刊Nature以“Engineering of robust topological quantum phases in graphene nanoribbons”為題報道了上海交通大學物理與天文學院王世勇特別研究員與瑞士材料聯邦科學與技術實驗室Roman課題組、德國馬普所Klaus Mullen課題組、美國倫斯勒理工大學Vincent Muller課題組以及德國德累斯頓工業大學馮新亮課題組合作的最新成果。他們繼2016年獲得原子級精確的鋸齒型石墨烯納米帶后（Nature 531，489，2016），再次取得突破，首次合成具有拓撲性質的石墨烯納米帶。瑞士聯邦實驗室Oliver Groning，上海交通大學王世勇，德國馬普所Yao Xuelin為文章的共同第一作者。該工作同時被Nature news and views 亮點報道(Nature 560, 175-176, 2018; Nature 560, 209-213, 2018)。

a 在石墨烯納米帶中實現SSH模型；b 表面化學合成方法得到結果原子級精確的石墨烯納米帶；c 石墨烯納米帶的結構及電學性質

石墨烯納米帶作為準一維的石墨烯納米結構，由于量子限域效應和邊界效應，其電子結構與其寬度和邊緣結構密切相關。理論研究表明，具有扶手椅形邊緣結構的石墨烯納米帶呈現半導體性，其帶隙隨納米帶寬度的減小而增加；而具有鋸齒形邊緣結構的石墨烯納米帶表現出自旋極化特性。尤為奇特的是，特定非規則邊緣的石墨烯納米帶具有新穎的拓撲特性。2017年，伯克利大學Steven Louie組預測邊緣結構交替的石墨烯納米帶結構具有拓撲保護的界面態，進而可以用來調控一維的拓撲量子態，實現Su-Schrieffer-Heeger模型（圖a）。

盡管理論研究表明石墨烯納米帶能展現一系列奇異的電、磁、拓撲特性，但是由于樣品制備困難，尤其是納米帶的寬度、邊緣結構等難以精確控制，不同的實驗報道中存在很大的偏差，迄今為止僅有很少的理論預言得到了確定性的實驗證實。近年來，表面化學合成方法的發展實現了低維有機納米材料的可控生長 [Nature 466, 470, 2010]?；凇白韵露稀北砻婧铣赏緩剑ㄟ^選擇不同的分子前驅物，能夠對納米結構的寬度、形狀及摻雜實現精確調控，實現結構原子級精確的石墨烯納米結構。結合非接觸原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡以及掃描隧道微分譜等表面手段，表面化學合成提供了一個新的平臺用于研究以前通過傳統化學手段難以研究的一些高分子系統，能夠在單個化學鍵尺度下表征相關材料的結構、化學及物理性質。 如圖一，他們通過精確的設計分子前驅體，在Au(111)表面合成出來了具有交替寬度的石墨烯納米帶（圖b）。超高分辨原子力顯微鏡成像技術確定了合成出來的納米帶化學結構，驗證了相關合成方法高度可控。掃描隧道微分譜技術確定了石墨烯納米帶的拓撲性質，相關結果和理論高度吻合（圖c）。通過改變分子前驅體，他們實現了對拓撲特性的精準調控，實現了拓撲非平庸的石墨烯納米帶，并觀測到了石墨烯納米帶末端的拓撲末端態。

相關工作得到了Nature審稿人的高度肯定：這個工作具有高度原創性，令人興奮，對不同領域均具有巨大的意義 (I find the manuscript to be highly original, exciting and of great significance to people in various disciplines.)；相關研究非常有意義，在納米帶中實現拓撲量子態為接下來研究拓撲結構提供了一個非常有意思的平臺（The study is highly interesting and the realization of topological states in GNRs could provide an interesting playground for further exploring topological structures in networks.）。

來源：上海交通大學