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小编按：2018年8月8日，Nature 刊登了两篇背靠背的文章，均与石墨烯纳米带，拓扑绝缘体相关(doi: 10.1038/s41586-018-0376-8; doi: 10.1038/s41586-018-0375-9)。这两篇Nature文章在实验手段比较类似，均涉及到扫描探针显微镜(SPM)、理论计算, 看上去比较物理。但是这两篇工作都有有机化学家的深入参与，贡献了表面合成(On surface Synthesis)的分子前躯体。 因此，这两篇工作涉及到有机合成+扫描探针技术+理论物理，多方科学家通力合作，共同谱写了材料预测，可控合成到精确表征的华美乐章。 小编 但终究力有不逮，今日有幸邀请到专业人士的解读，希望大家看完之后，有所启发。 1. 研究背景1.1 拓扑绝缘体拓扑作为物质的一个基本属性，可以用来解释很多新奇的量子性质如量子霍尔效应、费米子数的分数化（fermion-number fractionalization）等。 【DWJ20180816】 在两种拓扑不等价（topologically nonequivalent）的非导体材料的界面处可以产生局域的导电界面态。 因此，拓扑绝缘体具有和其它普通绝缘体一样的体相带隙（bulk band gap），然而其表面或者边缘却是导电的。这些导电边缘由于受到材料本征的拓扑性质保护，往往可以无视缺陷的存在而仍然显示导电性质[Reviews of Modern Physics, 2010, 82(4): 3045]。 除此之外，这种拓扑保护的边缘态在一定的条件下可以展现出奇异的量子特性，应用于诸如自旋器件或者量子计算中。 目前对于拓扑绝缘体的研究大多集中于三维或者二维材料，如HgTe/CdTe量子肼、Bi2Te3 和 Sb2Te3材料。对于一维材料拓扑性质的研究可以追溯到Su, Schrieffer 和Heeger提出的SSH模型[Physical Review Letters, 1979, 42(25): 1698.]，SSH模型提出了导电聚合物中soliton的概念，成功解释了反式聚乙炔的导电性，奠定了聚合物材料导电的理论基础。 值得一提的是，凝聚态物理中的Kitaev chain模型具有和SSH模型类似的物理描述。 1.2 石墨烯纳米带石墨烯纳米带（graphene nanoribbon）是将二维的石墨烯裁剪成一维后形成的一类材料。通过调控一维石墨烯纳米带的宽度和边缘结构，石墨烯纳米带可以展现出不同的物理化学性质[Physical review letters, 2006, 97(21): 216803.]。如：具有扶手椅形边缘（armchair）的石墨烯纳米带具有随着宽度可调控的半导体性质；锯齿形边缘（zig-zag）的石墨烯纳米带具有磁性边缘，理论预测其同一边的边缘态自旋相同具有铁磁性，而另一边的边缘态自旋与其相反，所以整体显示反铁磁性。 由于石墨烯纳米带具有丰富的可供调节的电子学性质，引起了物理、化学和材料等领域的广泛兴趣。而另一方面，近年来随着表面合成方法（on-surface synthesis）的发展，利用分子前驱体在金属表面通过自下而上的方法（bottom-up method），使得可控生长具有原子尺度精准的纳米结构成为可能（Nature nanotechnology, 2007, 2(11): 687.）。 2. 瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）的工作首先，简要介绍Empa的工作。这篇论文的实验部分主要在Empa的Nanotech@empa实验室完成。有机分子前驱体主要是由德国马普所Klaus Mullen课题组以及德累斯顿工业大学冯新亮课题组所提供。这一合作团队是国际上最早进行on-surface synthesis研究的团队之一，他们长期合作、各取所长，尤其在石墨烯纳米带等低维碳材料的表面合成以及物性表征上做出了一系列开创性工作。如第一篇石墨烯纳米带的表面合成[Nature, 2010, 466(7305): 470]、具有zigzag边缘的石墨烯纳米带的表面合成[Nature, 2016, 531(7595): 48]等。除此之外，近年来，在高通量石墨烯纳米带的合成和低维碳材料的器件化上也开展了创新性工作[Nature communications, 2017, 8(1): 633]。  2.1 拓扑边缘态的理论设计首先，基于7-Armchair和9-Armchair石墨烯纳米带的不同拓扑性质，在它们的界面可以产生新的电子态（in-gap state）（见下图d）。如果沿着石墨烯纳米带的长轴方向有序的排列这些界面，产生的界面态会进行耦合，这里将tn称为二聚体内耦合，tm称为二聚体间耦合（见下图e），这就产生了类似反式聚乙炔的SSH一维拓扑材料模型。根据tn耦合和tm耦合强度大小的不同，一维材料会分别形成拓扑绝缘体（topological insulator）和平庸绝缘体（trival insulator）。而对于拓扑绝缘体，在材料的末端或者是与平庸绝缘体的界面处会产生一个新的零维拓扑态（下图c中的end state）。需要注意的是，这里通过改变tn耦合和tm耦合而展现的拓扑是基于SSH模型的一维拓扑，是基于7-Armchair和9-Armchair石墨烯纳米带的界面态而产生的另一层次拓扑。  2.2 一维石墨烯纳米带的拓扑性上图c表明通过改变这些拓扑界面的距离，即下图中m和n，就可以调控tn和tm耦合强度的大小，从而实现可控的调节纳米带的拓扑性质。如下图b中，当耦合强度tn大于tm时，相关纳米带是拓扑平庸的，没有零能拓扑末端态；而当耦合强度tn小于tm时，相关纳米带是拓扑非平庸的具有零能拓扑末端态产生（下图a）。  2.3 拓扑石墨烯纳米带的合成和表征接下来，研究人员首先设计了一种溴取代的有机分子前驱体，进而合成一类拓扑平庸的石墨烯纳米带。利用表面合成方法（on-surface synthesis），在超高真空条件下蒸发有机分子于Au(111)表面，随后利用加热脱溴偶合反应以及进一步的分子内环化脱氢反应形成了石墨烯纳米带结构7-AGNR-S(1,3)（见下图a）。利用超高分辨的原子力显微镜成像技术（nc-AFM）可以确定纳米带的化学结构，验证了具有原子级精准的纳米结构的形成。随后通过扫描隧道谱（STS）技术可以探测纳米结构的电子态性质，并与理论计算进行比较验证实验结果。利用类似的表面化学反应，将另一种溴代化合物连接至此石墨烯纳米带的末端，从而形成7-AGNR和7-AGNR-S(1,3)的界面（下图b）。利用扫描隧道谱进行探测，并未发现有新的拓扑态在界面处形成。这也证实了合成的新石墨烯纳米带是和7-AGNR一样的一维拓扑平庸石墨烯纳米带。 最后，利用表面合成方法形成了拓扑非平庸的7-AGNR-I(3,2)石墨烯纳米带。下图a中的化学反应式展示了研究人员采用的有机分子前驱体，以及最终形成的7AGNR和7-AGNR-I(3,2)的连接结构。同样地，通过超高分辨原子力显微镜可以确定合成的纳米带化学结构。利用扫描隧道谱，在7AGNR和7-AGNR-I(3,2)的相交处果然有一个新的电子态产生（下图c），这个新产生的电子态就是两种拓扑不等价的石墨烯纳米带界面处所产生的。进一步的扫描隧道谱成像（STS mapping）技术清晰地显示了这一新电子态只产生在两种纳米带的相交处（下图c-e）。这些实验结果都与理论计算结果高度吻合，验证了拓扑态的形成以及7-AGNR-I(3,2)的拓扑非平庸性。  3. 美国加州大学伯克利分校的工作这篇同时发表在Nature上的论文主要是由加州大学伯克利分校的三个团队合作完成。其中，Felix R.Fischer组主要提供有机分子前驱体、Steven G. Louie组进行理论计算（同时也最早理论计算并提出了石墨烯纳米带的拓扑相）， Michael F. Crommie组进行原位合成石墨烯纳米带以及表面实验表征。这三个团队也是具有长期实验和理论合作的基础，强强联手，近年来在低维碳材料领域做出了大量前沿性工作。  3.1 分子结构设计这篇工作，研究人员同样利用了7-Armchair和9-Armchair石墨烯纳米带的边界态。下图a中作者清晰地标示出了具有特定边界的7-Armchair和9-Armchair所展现地不同拓扑性质（Z2 invariant），因此在它们的连接处会自发地形成拓扑界面态。图b和图c分别是分子前驱体的有机合成以及表面化学合成的反应路径。通过高分辨率的扫描隧道显微镜成像可以确定最终的产物（7/9-AGNR）的形成。  3.2 电子态表征进一步，研究人员通过扫描隧道谱研究了7/9-AGNR的电子学性质。实验上，此石墨烯纳米带带隙（band gap）的测量值仅仅为0.74 eV，远小于构成此纳米带的7-AGNR和9AGNR的带隙。而新产生的能带就是由拓扑边界态所形成的，这里命名为occupied topologically induced band (OTB)和unoccupied topologically induced band (UTB)。通过扫描隧道谱成像（dI/dV map），可以看到实验结果与理论计算结果高度吻合。  3.3 拓扑末端态表征为了进一步验证7/9-AGNR石墨烯纳米带的拓扑非平庸性，即它是一维拓扑绝缘体。研究人员探测了此纳米带的末端态。如下图b所示，在末端结构上产生了新的体相纳米带所没有的态，这里标为End state 1/2/3，它们对应的能量分别位于7/9-AGNR石墨烯纳米带的A/B，B/C，C/D态之间。这是由于A/B，B/C，C/D带隙都是一样的拓扑非平庸，因此在末端就会产生三个相对应的拓扑态。通过计算相应能带之间的Z2 值，可以从理论上进一步佐证它们的拓扑性质。最后，研究人员同样对比了对应态密度的能量下的扫描隧道谱成像和理论计算结果（下图c），进一步验证了实验结果。  4. 总结：拓扑绝缘体可以说是近年来凝聚态物理领域最火热的研究方向之一，主要在于其潜在的应用价值以及具有丰富的新奇量子现象而引起了包括理论和实验科研人员的广泛兴趣。这两篇工作具有很多的类似之处，他们都利用表面合成方法率先在实验上实现了具有拓扑绝缘体性质的石墨烯纳米带的合成和表征。 其研究意义和未来潜力在于：通过引入拓扑界面态为调控石墨烯纳米带的电子结构提供了一条有效路径；在石墨烯纳米带中引入拓扑概念可以产生更多新颖的物理性质如产生自旋链（spin chain）；利用一维拓扑石墨烯纳米带的末端拓扑态有可能在超导体表面构建马约拉纳费米子等等。 总之，这两篇最新的研究通过合成具有拓扑态的石墨烯纳米带并验证了此一维材料的拓扑相，拓展了石墨烯纳米带的基础和应用潜力，给本已丰富多彩的碳材料提供了更多的想象空间。
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