摘要：“JaNUS”一词源自古罗马神话中的双面神雅努斯，象征起点与终点、过去与未来，因此也是公历1月（January）的词源。在材料科学中，“Janus”常用来描述两侧截然不同的材料。由于这些材料具有非对称结构，往往能够展现出谷自旋分裂、垂直方向压电效应以及二次谐波

“JaNUS”一词源自古罗马神话中的双面神雅努斯，象征起点与终点、过去与未来，因此也是公历1月（January）的词源。在材料科学中，“Janus”常用来描述两侧截然不同的材料。由于这些材料具有非对称结构，往往能够展现出谷自旋分裂、垂直方向压电效应以及二次谐波生成等独特性能。

梵蒂冈博物馆内的Janus雕像。图片来源于网络

近日，新加坡国立大学（NUS）吕炯课题组与美国加州大学伯克利分校Steven G. Louie、日本京都大学Hiroshi Sakaguchi等研究者合作在Nature杂志上发表论文，利用表面合成和固相反应，通过精确的原子级控制，成功制备了一种新型石墨烯纳米带，并将其命名为“Janus GNR（JGNR）”。这种材料具有非对称的锯齿形边缘，打破了材料的自旋对称性，展现出特殊的铁磁性边缘态，实现了将Janus材料从二维缩减到一维系统，成为全球首个一维铁磁性碳链。未来，这一设计有望在自旋电子学设备和量子计算领域中发挥重要作用。

吕炯教授（中）及Song Shaotang博士（右）、Teng Yu博士（左）。图片来源：NUS [1]

基于Lieb定理和理论计算，研究者发现，在石墨烯纳米带的一侧引入周期性拓扑“缺陷”会破坏自旋对称性，导致亚晶格不平衡。随着边缘苯基阵列中周期性缺陷数量的变化，JGNR的磁性状态会从铁磁性转变为反铁磁性。为了研究JGNR的耦合磁性态，研究者将其定义为(n, m)-JGNR，其中n表示沿带宽方向的碳锯齿链数，m表示边缘苯环之间的间距。

JGNR的设计原理。图片来源：Nature

随后，研究者采用三种溴代菲环衍生物，成功合成了两种JGNR（n = 4 和 n = 5，m = 2）以及对称的石墨烯纳米带。通过扫描隧道显微镜（STM）和非接触原子力显微镜（nc-AFM）图像，确认了纳米带的结构。键分辨STM（BR-STM）清晰展示了主链的六边形特征，并且在费米能级处未观察到电子态分布。

JGNR的表面合成与结构表征。图片来源：Nature

石墨烯纳米带的制备与表征。图片来源：Nature

扫描隧道显微镜测量结果表明，两种JGNR均为铁磁性，在Au(111)基底上均表现出磁性边缘态。实验获得的dI/dV图像与局部态密度的计算结果一致。对称结构的石墨烯纳米带（n=5）的带隙为1060 meV，其电子态主要分布在锯齿状边缘。而对于非对称结构的(4,2)-JGNR和(5,2)-JGNR，其带隙分别为536 meV和394 meV。非对称两侧的能态分布呈现出独特的花瓣状和锯齿状特征，其中铁磁性自旋有序的边缘态仅出现在完整的锯齿状边缘。

JGNR的电子结构。图片来源：Nature

理论计算和实验结果一致表明，当m=2时，铁磁态完全局限于锯齿边缘；而当m=1或3时，铁磁态既出现在缺陷边缘，也出现在常规锯齿边缘，局部态密度的分布规律与拓扑“缺陷”阵列的变化紧密相关。

JGNR的边缘态。图片来源：Nature

“磁性非对称石墨烯纳米带，因其较长的自旋相干时间和潜在的室温操作性能，在量子技术领域展现出巨大的应用潜力”，吕炯教授表示，“新型JGNR的设计与表面合成，标志着在实现一维铁磁链方面取得了重要的概念性和实验性突破，这种JGNR的创造不仅拓展了精确构建奇异量子磁性的可能性，还为组装新一代稳健的自旋阵列提供了新的途径”。[1]

Janus graphene nanoribbons with localized states on a single zigzag edge

Shaotang Song, Yu Teng, Weichen Tang, Zhen Xu, Yuanyuan He, Jiawei Ruan, Takahiro Kojima, Wenping Hu, Franz J. Giessibl, Hiroshi Sakaguchi, Steven G. Louie & Jiong Lu

Nature 2025, DOI: 10.1038/s41586-024-08296-x

来源：X一MOL资讯