中国科大实现拓扑孤子精准调控与精密探测

近日，我校单分子科学团队，利用基于扫描探针的“多合一”综合物性表征技术，结合在位表面合成技术，通过共轭并五苯聚合物单链端基修饰，实现了非平庸与平庸相两相畴界处拓扑孤子态的可控引入，并揭示了一维拓扑孤子离域的零能模电子态和振动态、及畴界两侧电子能带反转的空间分布特征。该成果以“Engineering single topologicalp-conjugated polymers and interpolating topological solitons by end-group modification”为题发表于《国家科学评论》期刊上。

拓扑孤子是拓扑学上非平庸与平庸两相之间具有移动性的畴界，是高电导掺杂聚合物的主要载流子。作为天然具有复杂相互作用的准粒子，拓扑孤子可衍生出自旋-电荷分离与分数电荷激发等新奇物理效应，具有重要研究价值。然而，实验上在单条聚合物中同时稳定拓扑迥异的两个相从而实现拓扑孤子极具挑战性。

针对上述挑战，王兵、马传许等在前期基于银单晶衬底与共轭聚合物之间电荷转移实现极化子超晶格的基础上（Nat. Nanotechnol. 2025,20, 1580–1587），采用几乎没有电荷转移的Au(111)衬底，并通过共轭并五苯聚合物单链端基修饰，可控地调制炔基桥连键和累积烯烃桥连键，实现其中平庸相（EBPP）与非平庸相（CBPP）的调控，从而在两相畴界引入拓扑孤子态（图1a,b）。进一步利用新发展的扫描探针多域物态探测技术，STM谱学表征给出了空间高度离域的孤子态（零能模）存在的直接证据（图1c），并利用TERS表征揭示了具有化学键分辨的孤子态中退简并的多重振动模式和空间分布特征（图1d），证实了40年来难以实验直接验证的理论预言。

该工作基于表面精准合成与扫描探针综合物性表征相结合的技术，实现了在非平庸与平庸两相畴界引入拓扑孤子，并在实验上确认了拓扑孤子的离域电子态和振动态特征，为理解其载流子行为提供了微观依据，对未来基于拓扑聚合物的纳米电子学、自旋电子学及量子信息处理具有重要意义。

中国科大博士生王政亚、博士生李宇楠、李斌副教授和王佳宁博士为该论文的共同第一作者。中国科大王兵教授、合肥国家实验室马传许研究员为论文共同通讯作者。厦门大学谭元植教授提供了分子前驱物。中国科大理论团队为理论计算和分析提供了大力支持。研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、新基石科学基金会等项目的支持。

图1：共轭聚合物单链相工程调控实现拓扑孤子的可控引入，并结合扫描探针“多合一”表征技术，证实拓扑孤子的零能电子态与多重退简并振动模的空间高度离域特征。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag144

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、新基石实验室、科研部）