近日，南开大学陈志刚教授、许京军教授领导的课题组，在光子石墨烯中的研究又取得了重要进展：他们发现了石墨烯中从未见过的新型边界——枝桠型（twig）边界，并首次在光子晶格平台成功观测到了这种全新的边界态以及由拓扑平带导致的紧凑边界态，揭示该边界态的拓扑保护性以及与众所周知的石墨烯其他三种边界的互补性。

这一研究加深了人们对石墨烯边界态和拓扑物理学的认识，为拓扑结构在纳米电子器件和光信息传输等领域的应用奠定了理论基础。介绍该成果的论文“Photonic realization of a generic type of graphene edge states exhibiting topological flat band”在线发表于国际知名学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

关于石墨烯

石墨烯，作为一种新兴材料，近年来备受瞩目。它是由单层碳原子按照六角晶格排列而成的二维材料，具有极高的导电性、热导性和机械强度，被誉为“材料科技的奇迹”。石墨烯的发现和研究，为我们揭示了碳的新领域，也为未来的科技创新提供了广阔的空间。

石墨烯的发现可以追溯到2004年，由英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫等科学家首次成功剥离出单层石墨烯。

他们通过使用胶带将石墨烯层层剥离，最终成功获得了一片仅有一个原子厚度的石墨烯。这一发现震惊了科学界，为新材料的开发奠定了基础。

石墨烯的特性使其在材料科技领域具有巨大的应用潜力。石墨烯具有出色的导电性，远超过传统的导电材料。石墨烯的热导性也非常突出，能够有效传导热量。

此外，石墨烯的机械强度非常高，具有出色的柔韧性和弹性。这些特性使得石墨烯在能源、电子、材料和生物医学等领域都有广泛的应用前景。

石墨烯的三种常见边界

石墨烯由于其众多优良的物理与化学特性为大家所熟知，例如其单原子层厚度、高机械强度和高电子迁移率等。理想的石墨烯是零带隙半金属。实际上石墨烯的能带结构常常受到其微观结构，特别是其边界结构的影响。

科学家一直在积极研究石墨烯的边界态，这些边界态展现了独特的能带结构、拓扑性质和导电性能，为开发新型电子学器件和应用提供了潜在的可能性。此外，石墨烯边界态的研究也有望推动纳米电子学、能源以及量子信息等领域的进一步发展。在过去的研究中，科学家们已经对石墨烯的三种常见边界类型进行了深入探索，包括锯齿（zigzag）型、胡须（bearded）型和扶手椅（armchair）型边界。

相对来说，锯齿型边界化学活性较高因而较为“活泼”，扶手椅型边界则显得更“稳重”。这是因为锯齿型边界的每个碳原子有一个未配对电子，很容易与其他反应物结合。而扶手椅型边界的碳原子的化学活性相比锯齿型边界就要稳定很多，因为扶手椅型边界的每个边界六角环上开放的两个碳原子有三重共价键。而且锯齿型边界具有边界态，能够增强费米能级附近的局域态密度，且这些态可在库仑作用下实现自旋极化。

第四条边缘（称为“树枝”）的可能性

在本工作中，研究人员提出了一种全新的边界类型，称之为“枝桠”型边界。

枝桠型边界与其他三种边界组成了石墨烯结构中的四种基本边界类型。其独特的拓扑平带结构能够支持紧凑拓扑边界态。这种类似于孤子的紧凑边界态，既具有平带特征又具有拓扑特征，可以在没有任何缺陷或非线性的情况下实现光束的局域鲁棒传输。

为了克服真实材料的限制，研究人员利用激光直写技术制备的光子石墨烯晶格为平台，在实验上观测到了这种边界模式以及紧凑拓扑边界态。该工作加深了人们对石墨烯边界态的理解，为谷霍尔效应、能量局域、拓扑半金属、高阶拓扑绝缘体等领域相关研究提供了新的思路。

本工作南开大学为第一完成单位，南开大学博士后夏士齐和博士生梁永胜为共同第一作者。南开大学陈志刚教授、宋道红教授为共同通讯作者。合作者还包括唐莉勤副教授。此项工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金会等项目资助。

研究团队人员称，树枝边缘与之前确定的三种边缘一起，构成了描述蜂窝晶格中所有可能边缘类型的完整基础--任何任意边缘都可以被描述为这四种类型的组合。因此，这项新工作有助于开发一个描述类石墨烯材料边缘状态的通用框架，可用于创建和研究新的拓扑相。

文章来源： Carbontech，南开大学，科学头条，中科院之声，淋上云