石墨烯纳米带中的拓扑相：结态、自旋中心与量子自旋链

对材料电子基态拓扑的认识已带来对整数量子霍尔效应、费米子数分数化以及其他物质性质的深刻见解。将两种不同拓扑类的绝缘体连接会在带隙中产生迷人的边界态。另一令人振奋的最新进展是（从分子前体）自下而上合成具有边缘和宽度原子精度控制的石墨烯纳米带（GNRs）。在此我们联系这两个领域，并首次表明不同宽度、边缘和末端终止的半导体性GNRs属于不同的拓扑类。GNRs的拓扑受空间对称性保护并由终止晶胞决定。我们推导了它们拓扑不变量的显式公式，并表明在两个不同拓扑GNRs之间形成的局域化结态可通过横向结几何进行调控。GNR的拓扑可进一步被掺杂剂修改，例如硼原子的周期阵列。在由掺杂和原始GNR片段组成的超晶格中，结态是稳定的自旋中心，形成具有可调交换相互作用的海森堡反铁磁自旋1/2链。这些发现不仅对准一维系统的研究具有科学意义，而且通过其拓扑特性为未来基于GNR的器件设计原则开辟了新路径。