《自然》《科学》一周材料科学前沿要闻

1. 石墨烯纳米带的磁性边缘态和相干操作

（Magnetic edge states and coherent manipulation of graphene nanoribbons）

材料名称：石墨烯纳米带

研究团队：牛津大学Bogani研究组

石墨烯是碳原子的单层网络，具有优异的电子和机械性能。纳米级宽度的石墨烯带（纳米带）能够表现出半金属性和量子限制效应。对于自旋电子学和量子计算器件来说，石墨烯纳米带的相干操作前景可观，研究人员已经从理论角度对其磁性边缘进行了广泛的研究。然而，纳米带的边缘不能以原子精度产生，并且已经提出的石墨烯末端化学性质不稳定，这两个问题一直阻碍着研究的进展。Slota 等人通过稳定的自旋轴承基团功能化分子石墨烯纳米带，研究解决了研究进程中的两大问题。实验观察到预测的非局域磁边缘状态，并测试了自旋动力学和自旋-环境相互作用的理论模型。与非石墨化的参考材料相比，Slota 等人能够清楚地识别自由基功能化石墨烯纳米带的特征行为。研究量化了自旋轨道耦合的参数，定义了相互作用模式并确定了自旋退相干通道。即使没有任何优化，自旋相干时间能够在室温下的微秒范围内，实现边缘和自由基自旋之间的量子反演操作。Slota 等人的方法提供了一种在石墨烯纳米带实验中测试磁性理论的方法。观察到的相干时间开辟了在量子自旋电子器件中使用磁性纳米带的令人鼓舞的前景。（Nature  DOI: 10.1038/s41586-018-0154-7）

2. 石墨烯-铁磁体界面处由Rashba效应引起的显著Dzyaloshinskii-Moriya相互作用

（Significant Dzyaloshinskii–Moriya interaction at graphene–ferromagnet interfaces due to the Rashba effect）

材料名称：石墨烯/铁磁金属

研究团队：法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Chshiev研究组

能够利用石墨烯丰富的自旋相关性质的这一可能性，使得在追求自旋电子学进展的研究中引起了很多关注。高速和低能耗设备的前景激发了研究人员对稳定手性旋转纹理分层结构（如拓扑保护的斯格眀子）的寻找。Yang 等人证明了手性自旋纹理在石墨烯/铁磁金属界面处是被诱导的。石墨烯是一种弱自旋-轨道耦合材料，通常不会引起足够的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用来影响磁性手性。Yang 等人证明了石墨烯确实会因 Rashba 效应而诱发一类 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用。自旋极化电子显微镜实验和第一性原理计算表明，这种石墨烯诱导的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用可以达到与重金属界面相似的量级。这项研究工作为通向基于二维材料的自旋轨道学铺平了道路。（Nature Materials  DOI: 10.1038/s41563-018-0079-4）   

3.反铁磁绝缘体中的自旋巨磁电阻

(Spin colossal magnetoresistance in an antiferromagnetic insulator)

材料名称：反铁磁绝缘体 Cr2O3

研究团队：日本东北大学Dazhi Hou研究组

巨磁电阻（CMR）指的是由金属-绝缘体转变附近的磁场引起的电导率的巨大变化，这激发了数十年来的广泛研究。Qiu 等人展示了反铁磁绝缘体 Cr2O3 的 Néel 温度（TN = 296K）附近的类似自旋效应。通过利用钇铁石榴石 YIG/Cr2O3/Pt 的三层结构，Qiu 等人将来自 YIG 的自旋电流注入到 Cr2O3 层中，并通过反向自旋霍尔效应收集转移到重金属 Pt 中的自旋信号。并且观察到 Néel 温度在 14K 内传输的自旋电流有两个数量级的差异。自旋传导和非传导状态之间的这种转变也由等温条件下的磁场调制。Qiu 等人称之为自旋巨磁电阻（SCMR）的这种效应有可能简化基本自旋电子学器件的设计，例如实现自旋电流开关或基于自旋电流的存储器。（Nature Materials  DOI: 10.1038/s41563-018-0087-4）

4. 解决铜氧化加成问题的途径：溴代芳烃的三氟甲基化

(A radical approach to the copper oxidative addition problem: Trifluoromethylation of bromoarenes)

材料名称：芳基溴代物

研究团队：美国普林斯顿大学MacMillan研究组

过渡金属催化的芳烃官能化在过去的一个世纪中被广泛用于分子合成。其中，铜催化长期以来一直被认为是一个特殊的平台，因为高价铜倾向于用各种各样的偶联片段进行还原消除。然而，氧化加成的缓慢性质限制了铜广泛促进卤代芳烃偶联的能力。Le 等人表明该铜氧化加成问题可以用芳基捕获机理克服，其中芳基通过甲硅烷基卤素取代生成。该策略可以被应用于通过双铜-光氧化催化的芳基溴代物的三氟甲基化。机理研究支持了开壳芳基物质的形成。（Science DOI: 10.1126/science.aat4133） 

5. 非平衡态斯格眀子的聚集和崩塌动力学

(Aggregation and collapse dynamics of skyrmions in a non-equilibrium state)

材料名称：六方晶格斯格眀子晶体

研究团队：日本东京大学Xiuzhen Yu研究组

磁性斯格眀子因其具有的电磁特性已经引起了人们的关注。特别是，受拓扑保护并因此可能存在于更宽的温度-磁场区域的非平衡态斯格眀子，显示出了可能的实际应用前景，但其动力学却仍然难以捉摸。Yu 等人报导了通过密集空位填充的 SkX 观察到的磁场诱导的由零偏场下亚稳态六方晶格斯格眀子晶体（SkX）到非晶态的动态转变。另一方面，随着场的减小，聚集体在非平衡状态下从“随机粒子”变为斯格眀子“微晶体”，类似于胶体结晶，随后在 SkX 和伴有拓扑缺陷的螺旋/锥形域之间经历了拓扑不同的相分离。这些观察结果直接证明了亚稳定斯格眀子的聚集和崩塌动力学，并可能为其它他非平凡拓扑现象（如零磁场拓扑霍尔效应）提供了途径。（Nature Physics DOI: 10.1038/s41567-018-0155-3）

6. [Fe4S4] 团簇将 CO2 转化为碳氢化合物

(Ambient conversion of CO2 to hydrocarbons by biogenic and synthetic [Fe4S4] clusters)

材料名称：[Fe4S4] 团簇

研究团队：加州大学尔湾分校Yilin Hu研究组

固氮酶的 Fe 蛋白含有氧化还原活性 [Fe4S4] 簇，它在电子转移和底物还原中起着关键作用。Stiebritz 等人表明甲烷八叠球菌的 Fe 蛋白可以在环境条件下将 CO2 和 CO 还原成碳氢化合物。此外，还证明了这种反应性是 [Fe4S4] 簇固有的，表明了合成 [Fe4S4] 化合物催化溶液中相同环境反应的能力。理论计算提出了一种涉及醛类中间体的反应机理，该中间体在质子偶联电子转移和伴随的去除水分子时能够产生烃产物。这些结果为基于 FeS 的活化和还原 CO2 和 CO 的机理研究提供了框架，同时促进了能够将 CO2 和 CO 环境条件下转化为燃料产物的 FeS 催化剂的潜在发展。（Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0079-4） 

7. 能谷分裂二维半导体中的 Holstein 极化子

(Holstein polaron in a valley-degenerate two-dimensional semiconductor)

材料名称：表面掺杂的分层半导体 MoS2

研究团队：韩国延世大学Keun Su Kim研究组

二维（2D）晶体已经成为一类具有可调载流子密度的材料。载流子掺杂到二维半导体可用于调制多体相互作用并探索新型复合粒子。Holstein 极化子是一种电子的小复合粒子，它携带自发诱发的晶格变形（或声子）云，而这被认为在器件中的高温超导和载流子迁移率方面发挥关键作用。Kang 等人报导了表面掺杂的分层半导体 MoS2 中 Holstein 极化子的发现，而在 MoS2 中最近发现了临界温度为 12K 的令人迷惑的 2D 超导圆顶。Kang 等人还利用电荷载流子的高分辨能带映射，发现强能带重整化被认为是 Holstein 极化子迄今未观察到的光谱函数。MoS2 中电子-声子（e-ph）耦合的短程性质可以用其谷值简并度来解释，谷简并性使得声学声子介导的强通道间耦合成为可能。耦合强度沿超导穹面逐渐增大，直至中间区域，这表明二维超导中存在双极化子对。（Nature Materials  DOI: 10.1038/s41563-018-0092-7）