8月9日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature以“Engineering of robust topological quantum phases in graphene nanoribbons”為題報(bào)道了上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院王世勇特別研究員與瑞士材料聯(lián)邦科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室Roman課題組、德國(guó)馬普所Klaus Mullen課題組、美國(guó)倫斯勒理工大學(xué)Vincent Muller課題組以及德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)馮新亮課題組合作的最新成果。他們繼2016年獲得原子級(jí)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?fù)湫再|(zhì)的石墨烯納米帶。瑞士聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室Oliver Groning，上海交通大學(xué)王世勇，德國(guó)馬普所Yao Xuelin為文章的共同第一作者。該工作同時(shí)被Nature news and views 亮點(diǎn)報(bào)道(Nature 560, 175-176, 2018; Nature 560, 209-213, 2018)。

        a 在石墨烯納米帶中實(shí)現(xiàn)SSH模型；b 表面化學(xué)合成方法得到結(jié)果原子級(jí)精確的石墨烯納米帶；c 石墨烯納米帶的結(jié)構(gòu)及電學(xué)性質(zhì)

        石墨烯納米帶作為準(zhǔn)一維的石墨烯納米結(jié)構(gòu)，由于量子限域效應(yīng)和邊界效應(yīng)，其電子結(jié)構(gòu)與其寬度和邊緣結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。理論研究表明，具有扶手椅形邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶呈現(xiàn)半導(dǎo)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(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶表現(xiàn)出自旋極化特性。尤為奇特的是，特定非規(guī)則邊緣的石墨烯納米帶具有新穎的拓?fù)涮匦浴?017年，伯克利大學(xué)Steven Louie組預(yù)測(cè)邊緣結(jié)構(gòu)交替的石墨烯納米帶結(jié)構(gòu)具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的界面態(tài)，進(jìn)而可以用來(lái)調(diào)控一維的拓?fù)淞孔討B(tài)，實(shí)現(xiàn)Su-Schrieffer-Heeger模型（圖a）。

        盡管理論研究表明石墨烯納米帶能展現(xiàn)一系列奇異的電、磁、拓?fù)涮匦裕怯捎跇悠分苽淅щy，尤其是納米帶的寬度、邊緣結(jié)構(gòu)等難以精確控制，不同的實(shí)驗(yàn)報(bào)道中存在很大的偏差，迄今為止僅有很少的理論預(yù)言得到了確定性的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。近年來(lái)，表面化學(xué)合成方法的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了低維有機(jī)納米材料的可控生長(zhǎng) [Nature 466, 470, 2010]。基于“自下而上”表面合成途徑，通過(guò)選擇不同的分子前驅(qū)物，能夠?qū){米結(jié)構(gòu)的寬度、形狀及摻雜實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)原子級(jí)精確的石墨烯納米結(jié)構(gòu)。結(jié)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(xué)合成提供了一個(gè)新的平臺(tái)用于研究以前通過(guò)傳統(tǒng)化學(xué)手段難以研究的一些高分子系統(tǒng)，能夠在單個(gè)化學(xué)鍵尺度下表征相關(guān)材料的結(jié)構(gòu)、化學(xué)及物理性質(zhì)。 如圖一，他們通過(guò)精確的設(shè)計(jì)分子前驅(qū)體，在Au(111)表面合成出來(lái)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(shù)確定了合成出來(lái)的納米帶化學(xué)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了相關(guān)合成方法高度可控。掃描隧道微分譜技術(shù)確定了石墨烯納米帶的拓?fù)湫再|(zhì)，相關(guān)結(jié)果和理論高度吻合（圖c）。通過(guò)改變分子前驅(qū)體，他們實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)涮匦缘木珳?zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浞瞧接沟氖┘{米帶，并觀測(cè)到了石墨烯納米帶末端的拓?fù)淠┒藨B(tài)。

        相關(guān)工作得到了Nature審稿人的高度肯定：這個(gè)工作具有高度原創(chuàng)性，令人興奮，對(duì)不同領(lǐng)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(guān)研究非常有意義，在納米帶中實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔討B(tài)為接下來(lái)研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了一個(gè)非常有意思的平臺(tái)（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.）。