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分数化，是量子系统中强相互作用驱动量子数激发的一种现象，而在构建模块中是不存在的。其中，杰出的代表包括：分数量子霍尔效应中电荷e/3的激发，一维导电聚合物中的孤子和拓扑超导体中的马约拉纳态。在低维量子磁体中，例如一维反铁磁S = 1链，也会出现分馏现象。该系统的基本特征是本体上的间隙激发和链端S = 1/2边态，导致了一个反映底层对称保护拓扑顺序的四重简并基态。
在此，来自德国德累斯顿工业大学和马普微结构物理研究所的冯新亮 & 瑞士联邦材料科学与技术实验室的Pascal Ruffieux & 葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室的Joaquín Fernández-Rossier等研究者，使用表面合成法合成了一维自旋链，其包含了S = 1多环芳香烃三角烯作为构建块。相关论文以题为“Observation of fractional edge excitations in nanographene spin chains”于2021年10月13日发表在Nature上。在一维中，量子涨落猝灭了长程磁序，使得奇异现象的出现，如分数化。反铁磁海森堡交换的自旋链缺乏经典的磁阶，并且具有基态以上连续激发态的无间隙激发谱，这可以追溯到贝特在近一个世纪前对S = 1/2链所做的早期理论工作(其中S表示基本构造块的总自旋量子数)。与半整数自旋链相比，Haldane预测具有周期性边界条件的整数自旋链在单态基态和第一激发态之间应该有一个间隙激发谱，称为Haldane间隙。后来发现，开放的S = 1链在末端附加了分数S = 1/2的边态。这些边态通过交叉有效交换耦合，导致单态-三态分裂，随着链长的增加呈指数衰减，并导致基态在热力学极限下得到四重简并。基态简并取决于链的开放或闭合(循环)性质的情况是拓扑有序的标志。在S = 1链的情况下，拓扑有序与SO(3)、时间反演、链反转等对称性相关，称为对称保护拓扑有序。在过去的三十年里,大量的实验工作通过采用整体探测中子散射、电子自旋共振和热力学性质的测量，探讨了Haldane间隙，以及含有准一维S = 1过渡金属离子链的材料中的分数阶边激发。然而，过渡金属离子的磁各向异性和这些材料固有的有限链间磁交换对Haldane相的出现是不利的。另一种实现自旋链物理实现的方法，是利用扫描隧道显微镜(STM)对固体表面的单个原子或分子成像和操纵。结合STM在原子尺度上测量局域电子结构和磁激发的能力，近年来见证了按需制造原子自旋链，并在其中演示了复杂的磁相互作用和拓扑现象，包括实现了量子S = 1/2模型。尽管有相关预测，然而，使用这种方法到目前为止还没有实现Haldane相。在此，研究者利用超高真空条件下的表面合成技术在Au(111)表面制备一维(1D)自旋链，其中基本构造块是三角烯——得到了一种基态为S = 1的二自由基多环芳烃(以下简称纳米石墨烯)(图1a)。三角晶格中的磁性是由于其两部分蜂窝晶格中固有的亚晶格不平衡而产生的，这种不平衡转化为净自旋不平衡。三角烯及其同系物，虽然很难通过溶液化学途径合成，但最近已经在一系列金属和绝缘体表面合成，并显示在相对惰性的Au(111)表面保持其磁性基态。研究者利用扫描隧道显微镜和4.5 K下的光谱，在原子尺度上探测了开放自旋链和循环自旋链中长度依赖的磁激发，并直接观察到其中的间隙自旋激发和分数阶边态。精确的对角化计算提供了决定性的证据，证明自旋链在Haldane对称保护拓扑相中是由S = 1双线性-双二次哈密顿量描述的。该结果开启了一种自下而上的方法，来研究纯有机材料中的强相关相，具有实现基于测量的量子计算的潜力。![]()
图1 三角形自旋链的表面合成及零能量边缘激发的观察![]()
图2 开放三角形自旋链的价键立体图和自旋激发的理论计算![]()
图3 选择开放三角形自旋链的磁激发及其与双线性双二次模型的比较![]()
图4 N = 6和13个循环三角自旋链的磁激发及其与双线性双二次模型的比较综上所述，结果可启发未来的工作，解决调谐β的可能性，使这些非平凡的量子态自然发生作为耦合磁性纳米片的基态。总的来说，在这里演示的TSCs表面合成协议，可以扩展到提供可扩展的纯有机量子自旋链、二维晶格和网络，从而在实现非平凡的自旋液相、量子模拟器和纳米级自旋电子器件方面得到了令人兴奋的机会。同时，本公众号对冯新亮院士也在持续关注，早在今年初就对其工作有过相关汇总（“惊叹！这位80后院士2020年在四大顶刊发表40+篇论文！附8篇代表作解读带你快速走进大佬的能源材料世界”），可以看出，冯新亮院士的工作一直保持着“高质量、高产量”的特点。据不完全统计，截止2021年目前为止，冯新亮院士就已经在Chemical Society Reviews、Nature Materials、Nature Catalysis、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Chem、Advanced Materials、Advanced Functional Materials等期刊发表众多文章，他引次数达到76762次，仅2016之后，引用次数就达到了59232次。质量之高，令人咂舌。如今，冯新亮院士再添一篇《Nature》，人生可谓是圆满，要知道他还只是“80后”。这种对科学的热情，值得每一位科研人的学习。冯新亮，男，1980年生于安徽歙县，2001年获得中国地质大学学士学位，2004年获得上海交通大学硕士学位，同年赴德国马普高分子研究所深造，2008年获博士学位。德国德累斯顿工业大学首席教授、在德国获得化学学科终身教职的华人第一人 。研究方向：1) 二维大分子和超分子，二维纳米石墨烯的合成研究，盘状液晶分子的合成和自组织研究，共轭pi-体系分子的有机设计和合成，基于pi-体系分子的超分子化学，设计合成共轭寡聚物和高分子以及在有机电子学器件的测试和表征研究 (主要基于有机发光，场效应晶体管和有机薄膜太阳能电池材料);2) 宏量制备高质量二维石墨烯材料研究，合成水溶和油溶可加工石墨烯研究，基于石墨烯的二维纳米能源材料和电子器件研究，基于石墨烯电极材料在太阳能电池和场效应晶体管器件的应用研究，有机和高分子多孔材料的合成和应用研究(主要包括储氢和催化材料)，可控纳米结构功能碳材料、有机/无机杂化材料的设计合成及其在能源储存和转化的应用研究(主要基于超级电容器，锂离子电池，光解水，燃料电池电极材料和催化剂的研究)。Mishra, S., Catarina, G., Wu, F. et al. Observation of fractional edge excitations in nanographene spin chains. Nature 598, 287–292 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03842-3原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03842-3
https://baike.so.com/doc/4679313-4893110.html![]()
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