材料学院马骥团队在纳米石墨烯基反铁磁链精准构筑及其自旋态调控方面取得新进展
石墨烯纳米结构中未配对的p电子引发的π磁性具有弱自旋轨道耦合、长自旋相干时间和长相干长度等特点，在自旋电子学和量子信息科技领域展现出重要的应用潜力。通过原子级精准设计，可调控纳米石墨烯链中自旋耦合的强度和方式，从而构筑多种磁基态。目前，纳米石墨烯的 π 磁性主要源于锯齿型边界等非凯库勒结构，但此类结构具有较高的化学反应活性，导致合成难度较大。2021 年，研究人员通过表面在位化学反应成功合成了基于三角烯的自旋-1反铁磁链。然而，由于缺乏合适的构筑单元及高效的聚合反应策略，其他磁基态纳米石墨烯链的可控合成仍然面临巨大挑战。
其中，自旋-1/2反铁磁海森堡链（Heisenberg chain）作为最基础的磁相互作用量子模型，其实验上的成功构筑将为量子模拟与量子计算等研究提供平台，具有重要价值。针对该体系，国科大材料学院马骥副教授联合中国科学院物理研究所高鸿钧院士团队的黄立研究员，以及德国德累斯顿工业大学 Xinliang Feng 教授和葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室 Joaquín Fernández-Rossier 教授，共同开展了自旋-1/2 反铁磁海森堡链的精准构筑与自旋态调控研究。他们发展了一种创新的表面合成策略，利用氮杂原子邻位碳氢活化反应，成功构筑出纳米石墨烯链状聚合物。该联合研究团队利用化学键分辨的非接触式原子力显微镜（nc-AFM）对该聚合物链的化学结构进行成像，并结合端基结构分析阐明其反应机制。研究发现，聚合物链中各单元中心的二氮掺杂导致基底间电荷转移，进而形成 S = 1/2 净自旋。这些自旋相互耦合，呈现出与链长奇偶性相关的磁基态特征。通过非弹性隧穿谱测量，在偶数单元的聚合物链上观察到自旋激发，而在奇数单元的聚合物链上则检测到强度调制的近藤共振。随着链长的增加，实验观测到的自旋激发能隙呈指数级衰减，这一现象与理论模型预测的无限长链中的零能隙自旋激发相吻合。
图1. 基于氮掺杂纳米石墨烯的自旋-1/2反铁磁海森堡链及其自旋态调控。
该工作创造性地利用碳氢活化反应构筑磁性纳米石墨烯基聚合物链，巧妙地通过氮掺杂引入π磁性，发现了其自旋量子态的奇偶效应及可能存在的零能隙自旋激发。这是在国际上首次成功地构筑出基于纳米石墨烯的自旋-1/2反铁磁海森堡链，为未来有机自旋电子学的应用奠定了基础。相关成果以 “Building spin-1/2 antiferromagnetic Heisenberg chains with diaza-nanographenes” 为题，于 2025 年 2 月发表在 Nature Synthesis 期刊上。本工作受到国家自然科学基金项目、科技部重点研发计划和中国科学院的资助。文章链接: https://www.nature.com/articles/s44160-025-00743-5 PDF版本: https://rdcu.be/eaLLJ
在另一项相关研究中，马骥副教授和瑞士联邦材料科学与技术实验室 Roman Fasel 教授及德累斯顿工业大学 Xinliang Feng 教授合作，通过表面催化的乌尔曼偶联反应、氢化反应和针尖诱导去氢反应，得到共价连接并且长度可控的奥林匹克烯（Olympicene，奥林匹克环状磁性纳米石墨烯）自旋-1/2 海森堡链。该体系具有较大的交换相互作用、可调节的链长，且磁各向异性可忽略不计，因此非常适合利用非弹性电子隧道光谱研究长度相关的自旋激发。研究团队发现，最低激发能量随着链长 L 呈幂律衰减，并在较大 L 范围内遵循 1/L依赖性，与理论预测高度一致。对于链长 L=50 的体系，V 形激发连续体证实了该体系在热力学极限下的无间隙行为。此外，低偏压电流图像揭示了奇数链中单个自旋子的驻波现象。该研究结果为在人工石墨烯晶格中实现无间隙自旋液体提供了一维模拟的有力证据，进一步推进了纳米石墨烯在量子材料与自旋电子学方向的研究。
图2. 基于奥林匹克环状纳米石墨烯的自旋-1/2海森堡链
以上研究成果以 “Spin excitations in nanographene-based antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg chains” 为题于2025年3月发表在 Nature Materials 期刊。该工作受到国家自然科学基金项目的资助。文章链接: https://www.nature.com/articles/s41563-025-02166-1。PDF版本: https://rdcu.be/edxe0
