中國科大在石墨烯分子條帶中實現(xiàn)自旋量子通道轉(zhuǎn)換

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室崔萍與曾長淦研究組通過理論與實驗互動性合作，證明在鋸齒型石墨烯分子條帶間引入碳四元環(huán)，可以有效地打破邊緣自旋量子通道的簡并度，并以100%的可靠率翻轉(zhuǎn)邊緣態(tài)的自旋取向，以電荷摻雜的形式選擇與控制所需要的單一自旋通道，從而多方位地展示了未來自旋電子學(xué)中不可或缺的自旋開關(guān)功能，同時實驗上也制備出碳四元環(huán)連接的石墨烯分子條帶。該研究成果于1月14日在線發(fā)表在《物理評論快報》上。

　　石墨烯材料的自旋極化態(tài)在自旋電子學(xué)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究中受到廣泛關(guān)注。以往的研究集中在鋸齒型石墨烯納米條帶的兩個邊緣自旋態(tài)，及其通過電場、磁場、結(jié)構(gòu)裁剪和摻雜等方法對邊緣自旋態(tài)的有效調(diào)控。最近，研究人員構(gòu)思了一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來控制石墨烯納米條帶體系自旋傳播通道的空間分布，從而從概念上實現(xiàn)自旋開關(guān)這一基本單元。曾長淦研究組在實驗上觀察到在石墨烯分子條帶之間可能通過碳四元環(huán)連接，崔萍與合作者利用基于量子力學(xué)的第一性原理計算證明在最窄的石墨烯分子條帶的合適位置引入碳四元環(huán)，可以先將石墨烯分子條帶兩個邊緣的自旋通道有效地捆綁，再通過碳四元環(huán)翻轉(zhuǎn)兩個輸出自旋通道的自旋取向，實現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)換功能。進(jìn)一步研究表明，這種碳四元環(huán)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致兩個自旋通道退簡并，使得通過電荷摻雜來激活或抑制某一自旋通道成為可能，從而實現(xiàn)自旋開關(guān)功能。最后，實驗上通過Au（110）表面準(zhǔn)一維重構(gòu)的輔助，在并五苯分子的脫氫環(huán)化反應(yīng)中制備合成了這種理想的碳四元環(huán)連接的石墨烯分子條帶。該工作為自旋電子學(xué)的發(fā)展提供了一個基本邏輯單元，有廣闊的應(yīng)用前景。

　　上述研究得到國家自然科學(xué)基金委、中科院、科技部和教育部的資助。

通過碳原子“四重奏”實現(xiàn)自旋開關(guān)的概念示意圖：自旋通道自旋