新加坡国立大学吕炯课题组发表《Nature》

量子技术的未来发展再次迎来新突破！新加坡国立大学的研究团队在下一代碳基量子材料的研发中取得了重要成果。

他们创造了一种全新的石墨烯纳米带（graphene nanoribbon，GNR），被命名为 Janus GNR (JGNR)。这种革命性材料将为量子电子学和量子计算开辟全新可能性。

研究团队和成果发表

新加坡国立大学的研究团队在下一代碳基量子材料的开发中取得了重要突破，成功设计并合成了新型的石墨烯纳米带，名为Janus GNR（JGNR）。

该研究由NUS化学系副教授Lu Jiong及其团队领导，且与国际合作伙伴密切合作完成。

此次研究成果在2025年1月9日发表在著名科学期刊《自然》上，为量子电子学领域的进步开辟了新的视野。

来源：Nature官网

石墨烯纳米带的原理与特性

石墨烯纳米带是由纳米级蜂窝状碳结构构成的窄条带。其表现出显著的磁性，源于原子π轨道中不成对电子的行为。

通过将石墨烯的边缘结构以原子级精确的方式设计为锯齿状排列，可以创建一维自旋极化通道。这种结构特性使其在自旋电子器件应用及量子计算领域，尤其是在多量子比特系统中，具有重要的潜力。

Janus石墨烯纳米带（JGNR）拥有一种独特的结构设计，其碳带的单边呈锯齿状，成为世界上首个一维铁磁碳链。

该设计通过采用Z形前体，周期性地在锯齿状边缘上引入六边形碳环阵列，从而打破了碳带的结构和自旋对称性。这种创新设计使得JGNR具备了特殊的磁性和自旋极化特性，成为量子技术的潜在突破点。

Janus 石墨烯纳米带的原子模型（左）及其原子力显微镜图像（右）

来源：NUS官网

创造石墨烯纳米带

通过溶液化学方法设计“Z 形”分子前体，结合表面合成技术，研究团队成功在超洁净环境下实现了对石墨烯纳米带形状和结构的原子级精确控制，为材料创新奠定基础。

“Z 形”设计可灵活修改分支以生成所需“缺陷”边缘，同时保持锯齿状边缘完整。调整分支长度可控制纳米带宽度，扫描显微镜和理论分析证实了单一锯齿状边缘的铁磁特性。

该论文的第一作者Song Shaotang博士（左）正在与博士生Teng Yu（右）合作合成JGNR

来源：NUS官网

石墨烯纳米带应用前景

石墨烯纳米带在自旋电子学和量子技术领域展现出巨大的潜力。通过精确设计和合成，这些纳米带能够创建一维自旋极化通道，具备了在自旋电子器件和量子计算中应用的巨大优势。

其铁磁自旋链的设计可能为下一代多量子比特系统提供基础，是量子计算中关键组件的潜在候选材料。

此外，JGNR还可以组装成坚固的自旋阵列，用于量子比特的自下而上构建，推动量子技术的进一步发展。由于其长自旋相干时间和在室温下的潜在运行能力，JGNR为量子技术提供了实际的应用基础。

此外，其可调带隙特性还使得JGNR在量子自旋电子学领域具有独特的应用价值，可能成为下一代量子技术的突破点。