近日，国际知名期刊《Journal of the American Chemical Society》以“Collective Quantum Magnetism in Nitrogen-Doped Nanographenes”为题发表了上海交通大学物理与天文学院王世勇、华东理工大学刘培念、李登远课题组最新的研究成果。该研究拓展了一种新的[2+2+2]咪唑环三聚表面化学反应，在Au（111）单晶衬底表面成功合成出了氮掺杂纳米石墨烯，使用STM/（nc-AFM）技术对其精确化学结构进行了表征，并观测到了其中的集体量子磁性，与海森堡量子自旋模型吻合。
碳氢化合物中的量子磁性一直以来是量子化学和现代量子技术的突出问题。由于低维效应，相互作用的竞争以及量子涨落等，一些量子磁体具有奇异的量子相。尽管目前已经有许多关于量子磁性的理论研究成果，但是如何实验合成单个量子磁体依然非常具有挑战性，极大地阻碍了这一前沿领域的发展。在本工作中，研究人员通过精准设计前驱体分子的拓扑结构，在Au（111）单晶衬底表面成功实现了分子间的[2+2+2]咪唑环三聚反应，合成了一些列的氮掺杂纳米石墨烯结构，并与溶液中分子间C-N偶联的机理进行了对比分析。
图1 氮掺杂分子量子磁体的构筑。
通过扫描探针原子操作的方法，可以精准可控地在氮掺杂纳米石墨烯结构中构建3个自旋的量子磁体。利用扫描隧穿谱技术对构建的分子量子磁体进行了深入的表征和分析（图2）。研究表明：三自旋的异向构型的量子磁体具有S=1/2的磁基态，A1与A2两个臂之间是铁磁耦合，磁耦合强度为-1.2meV，A1和A3以及A2和A3臂之间是反铁磁耦合，磁耦合强度分别为1.7meV和10.8meV。其基态的波函数局域在格点A1（图2d），其激发态局域的A2和A3格点（图2e-f），该实验观测无法用平均场的DFT计算解释。研究人员发现实验观测的磁基态和激发态，与海森堡量子自旋模型完美符合，证明了具有集体的量子磁激发（图2h-i）。
图2 氮掺杂分子磁体中关联量子磁性的实验与理论研究。分子量子磁体的化学结构（a），STM/S表征（b,d-f）以及海森堡模型分析（c,g-i）。
该工作聚焦在量子材料前沿领域，利用交叉学科的方法，首次在固体表面实现了类咪唑分子的[2+2+2]环三聚化反应，在单个自旋精度下，对异元素掺杂的量子磁体中关联量子行为进行了系统的研究，理论与实验能够很好地符合。我们所建立的合成方法为在扩展的纳米石墨烯网络中实现新的量子相提供了一个有效的途径。
上海交通大学物理与天文学院博士生朱谷城，江雅实和华东理工大学化学与化工学院研究生王瑛为该工作的共同第一作者，上海交通大学物理与天文学院王世勇老师，华东理工大学化学与化工学院李登远老师和刘培念老师为共同通讯作者。本工作主要由国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金委和霍英东青年教师基金资助，与上海交大贾金锋院士团队合作完成。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c10711
