《Nature》磷烯纳米带：室温下磁光活性边缘的突破性发现

研究人员探究磷烯纳米带（PNRs）磁性和半导体特性，发现其边缘磁性及光激发态特性，为量子电子学发展助力。

　　

在材料科学的微观世界里，纳米带作为二维材料的特殊形态，一直是科研人员关注的焦点。想象一下，纳米级别的材料，却蕴含着改变未来科技的巨大潜力。然而，目前的研究面临着诸多挑战。过去 40 年，将不同磁现象与半导体电子基态耦合的策略，大多聚焦于用特定过渡金属掺杂半导体形成稀磁半导体（DMSs） ，但这种方法存在局限性。近年来，二维材料虽展现出独特自旋构型和半导体磁性相，可将其制成纳米带时，像基于石墨烯的纳米带（GNRs），合成过程繁琐，长度短，这对实际应用和基础物理研究造成阻碍。所以，探索能大规模生产且具备室温本征自旋电子和电子特性的纳米带系统迫在眉睫。

在此背景下，英国剑桥大学卡文迪许实验室等多机构的研究人员展开了对磷烯纳米带（PNRs）的研究。他们的研究成果发表在《Nature》上，为该领域带来了新的曙光。

研究人员采用了多种关键技术方法。利用原子力显微镜（AFM）对 PNRs 的形貌进行表征，获取其高度和宽度信息；通过超导量子干涉装置（SQUID）磁强计测量 PNRs 的磁性；运用连续波电子顺磁共振（cwEPR）技术研究其边缘自旋相关性；借助光泵浦 - 探测光谱技术探究电子动力学；利用拉曼光谱研究光激发与边缘的耦合。

下面来看看具体的研究结果：

• PNRs 的磁性：研究人员通过磁场诱导取向实验（线性二色性和线性双折射），发现 PNRs 在室温下的取向各向异性在 10T 附近达到饱和，远低于其他已知纳米材料。从溶液中 PNRs 的体积分布和计算得到的 ΔχV，得出其无量纲磁化率的平均各向异性 Δχ≈10?3 ，比层状磷烯大两个数量级。SQUID 磁强计测量显示，在高达 350K 的温度下，7T 场冷（FC）和零场冷（ZFC）磁化曲线不重叠，且在 55 - 70K 出现磁相变特征。cwEPR 测量观察到室温下有宽约 12 - 19mT、g≈2 的 EPR 信号，宽场扫描还发现更强烈的铁磁共振（FMR）信号，且信号随温度和样品取向变化。

• PNRs 的电子动力学：PNRs 的吸收光谱无特征，在压力下吸收边蓝移，施加电场时吸收光谱出现亚结构。光泵浦 - 探测光谱显示，出现两个长寿命（纳秒）的激发态吸收（ESA）带，分别位于 800nm（ESA 1）和 500nm（ESA 2） ，以及一个短寿命（皮秒）的宽光漂白带。通过磁场诱导的排列效应，确定 ESA 1 属于磁性活跃的纳米带。监测 ESA 1 带的瞬态吸收各向异性发现，在无外场时，200fs 时各向异性为 - 0.2 ，1ps 后弛豫到约 0.05 ；施加 800mT 场后，泵浦长轴极化（V）和短轴极化（H）偶极子，各向异性表现不同，表明能量转移和状态变化。

• PNRs 的磁光耦合：PNRs 的自发拉曼光谱显示存在特殊的边缘声子模式，如 B?g 模式。脉冲振动光谱（IVS）发现光激发态与 B?g 边缘声子模式强耦合，且该模式与 ESA 1 耦合最强，表明光激发的电子密度沿 PNRs 边缘分布。在溶液相中，只有在垂直泵浦 - 探测配置下才能观察到 B?g 面外边缘模式的激发态 IVS 。

研究结论和讨论部分指出，通过 SQUID 磁强计和 cwEPR 证明了 PNRs 薄膜在室温下存在源于边缘的宏观磁性，溶液中的巨磁各向异性使 PNRs 能沿场方向排列。光激发时，能量快速转移到边缘态。这一发现为进一步理解 PNRs 的磁性（如自旋相干时间、宽度和应变的影响等）、构建单纳米带器件以及非线性光学元件、纳米机器人等应用提供了广阔空间，对低维磁性理论的完善和低能耗计算的发展意义重大，为纳米尺度磁 - 半导体界面的研究开辟了新路径。