近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室崔萍與曾長(zhǎng)淦研究組通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)互動(dòng)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(jiǎn)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(lái)自旋電子學(xué)中不可或缺的自旋開(kāi)關(guān)功能，同時(shí)實(shí)驗(yàn)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(píng)論快報(bào)》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(gè)邊緣自旋態(tài)，及其通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)裁剪和摻雜等方法對(duì)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(lái)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(shí)現(xiàn)自旋開(kāi)關(guān)這一基本單元。曾長(zhǎng)淦研究組在實(shí)驗(yàn)上觀察到在石墨烯分子條帶之間可能通過(guò)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(jì)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(gè)邊緣的自旋通道有效地捆綁，再通過(guò)碳四元環(huán)翻轉(zhuǎn)兩個(gè)輸出自旋通道的自旋取向，實(shí)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(gè)自旋通道退簡(jiǎn)并，使得通過(guò)電荷摻雜來(lái)激活或抑制某一自旋通道成為可能，從而實(shí)現(xiàn)自旋開(kāi)關(guān)功能。最后，實(shí)驗(yàn)上通過(guò)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(gè)基本邏輯單元，有廣闊的應(yīng)用前景。

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

通過(guò)碳原子“四重奏”實(shí)現(xiàn)自旋開(kāi)關(guān)的概念示意圖：自旋通道自旋