量子技術的未來發展再次迎來新突破！新加坡國立大學的研究團隊在下一代碳基量子材料的研發中取得了重要成果。
他們創造了一種全新的石墨烯納米帶（graphene nanoribbon，GNR），被命名為 Janus GNR (JGNR)。這種革命性材料將為量子電子學和量子計算開闢全新可能性。
研究團隊和成果發表
新加坡國立大學的研究團隊在下一代碳基量子材料的開發中取得了重要突破，成功設計併合成了新型的石墨烯納米帶，名為Janus GNR（JGNR）。
該研究由NUS化學系副教授Lu Jiong及其團隊領導，且與國際合作夥伴密切合作完成。
此次研究成果在2025年1月9日發表在著名科學期刊《自然》上，為量子電子學領域的進步開闢了新的視野。
來源：Nature官網
石墨烯納米帶的原理與特性
石墨烯納米帶是由納米級蜂窩狀碳結構構成的窄條帶。其表現出顯著的磁性，源於原子π軌道中不成對電子的行為。
通過將石墨烯的邊緣結構以原子級精確的方式設計為鋸齒狀排列，可以創建一維自旋極化通道。這種結構特性使其在自旋電子器件應用及量子計算領域，尤其是在多量子比特系統中，具有重要的潛力。
Janus石墨烯納米帶（JGNR）擁有一種獨特的結構設計，其碳帶的單邊呈鋸齒狀，成為世界上首個一維鐵磁碳鏈。
該設計通過採用Z形前體，周期性地在鋸齒狀邊緣上引入六邊形碳環陣列，從而打破了碳帶的結構和自旋對稱性。這種創新設計使得JGNR具備了特殊的磁性和自旋極化特性，成為量子技術的潛在突破點。
Janus 石墨烯納米帶的原子模型（左）及其原子力顯微鏡圖像（右）
來源：NUS官網
創造石墨烯納米帶
通過溶液化學方法設計「Z 形」分子前體，結合表面合成技術，研究團隊成功在超潔凈環境下實現了對石墨烯納米帶形狀和結構的原子級精確控制，為材料創新奠定基礎。
「Z 形」設計可靈活修改分支以生成所需「缺陷」邊緣，同時保持鋸齒狀邊緣完整。調整分支長度可控制納米帶寬度，掃描顯微鏡和理論分析證實了單一鋸齒狀邊緣的鐵磁特性。
該論文的第一作者Song Shaotang博士（左）正在與博士生Teng Yu（右）合作合成JGNR
來源：NUS官網
石墨烯納米帶應用前景
石墨烯納米帶在自旋電子學和量子技術領域展現出巨大的潛力。通過精確設計和合成，這些納米帶能夠創建一維自旋極化通道，具備了在自旋電子器件和量子計算中應用的巨大優勢。
其鐵磁自旋鏈的設計可能為下一代多量子比特系統提供基礎，是量子計算中關鍵組件的潛在候選材料。
此外，JGNR還可以組裝成堅固的自旋陣列，用於量子比特的自下而上構建，推動量子技術的進一步發展。由於其長自旋相干時間和在室溫下的潛在運行能力，JGNR為量子技術提供了實際的應用基礎。
此外，其可調帶隙特性還使得JGNR在量子自旋電子學領域具有獨特的應用價值，可能成為下一代量子技術的突破點。
