设计型磁性拓扑石墨烯纳米带

磁性与拓扑的相互作用是凝聚态物理的核心，为设计内禀磁性拓扑材料提供了巨大机遇，这类材料可承载包括量子反常霍尔效应（QAHE）、轴子绝缘体态和马约拉纳束缚态在内的多种奇异拓扑量子态。将这一概念拓展到一维（1D）系统，可带来丰富的量子自旋物理，为分子尺度自旋电子学带来巨大前景。尽管近期在发现一维石墨烯纳米带（GNRs）中对称性保护的拓扑量子相方面取得了进展，但理性设计与实现磁性拓扑 GNRs（MT-GNRs）仍是一项重大挑战，因为必须应对多重维度的复杂性，包括时间反演对称性（TRS）、空间对称性（宽度、边缘、末端几何）以及多电子关联。在此，我们设计了一条新路径，通过统一化学家和物理学家的视角，结合实空间与倒空间描述，来设计具有非平庸电子拓扑和鲁棒磁性末端的此类 MT-GNRs。经典的 Clar 规则提供了一个概念上定性的实空间图像，用于预测在一系列波状 GNRs 中从闭壳层到开壳层（伴随末端磁性）的转变，以及带隙重新打开并可能具有非平庸电子拓扑，这些结果通过动量空间中能带结构拓扑的第一性原理计算得到了进一步验证。借助表面合成技术的进步和分子前驱体的精心设计，我们制备了这些 MT-GNRs，并观测到拓扑边缘带，其末端 π-磁性可通过单镍茂自旋传感器直接捕获。此外，末端自旋之间从强反铁磁耦合到弱耦合（类顺磁性）的转变可通过调节 MT-GNRs 的长度来控制。