中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
單分子磁體（single-molecule magnet）是由分立的、無磁性相互作用的納米尺寸分子單元構(gòu)成的一類特殊磁體，每個分子都是一個獨(dú)立的磁性功能單元，其在高溫下表現(xiàn)為超順磁性，在低溫下出現(xiàn)磁滯和磁化量子隧穿行為。單分子磁體有望作為信息存儲單元，用于實(shí)現(xiàn)超高密度信息存儲。同時，對單分子磁體的磁化量子隧穿效應(yīng)的研究也有利于揭示量子力學(xué)行為是如何在宏觀尺度上起作用，并可能應(yīng)用于量子計算。自1993年發(fā)現(xiàn)第一個單分子磁體Mn12以來，人們已經(jīng)合成出大量基于過渡金屬磁性離子和稀土磁性離子的單分子磁體，并對其磁性開展了深入的研究。然而，對于單分子磁體的電學(xué)性質(zhì)的研究還鮮有報道。近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員孫陽指導(dǎo)博士生馬怡妮娜與南開大學(xué)化學(xué)系博士王玉霞、教授師唯、程鵬等合作，研究了單分子磁體的介電性質(zhì)，首次在一種含稀土離子Dy的單分子磁體中，觀察到顯著的磁介電效應(yīng)。
王玉霞等利用溶液緩慢蒸發(fā)法合成出一種[Dy(L)2(C2H5OH)Cl3]·C2H5OH單分子磁體單晶樣品，尺寸可以達(dá)到毫米量級，為電學(xué)測量打下了基礎(chǔ)。在該晶體中，強(qiáng)自旋-軌道耦合的Dy離子處于輕微畸變的八面體配位場中，具有單軸各向異性，有利于形成單分子磁體。通過交流磁化率和直流磁化強(qiáng)度的測量，確定了該單分子磁體的低溫磁性弛豫行為和磁各向異性。在此基礎(chǔ)上，馬怡妮娜利用孫陽研究組自主研制的多功能磁電耦合測量系統(tǒng)，仔細(xì)測量了該單分子磁體不同晶向的介電常數(shù)隨溫度和磁場的變化。在低溫下（2—40 K），其介電常數(shù)隨磁場增加而上升，到8T磁場時依然沒有飽和，表現(xiàn)出顯著的磁介電效應(yīng)。該效應(yīng)被認(rèn)為是來源于高自旋態(tài)的三價Dy離子，具有較強(qiáng)的自旋-晶格耦合，外加磁場導(dǎo)致局域晶格的收縮，進(jìn)而產(chǎn)生電容的變化。這是首次在單分子磁體中觀察到磁介電/磁電容效應(yīng)，預(yù)示著在單分子磁體中也有望實(shí)現(xiàn)本征磁電耦合效應(yīng)。未來，研究者將通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，嘗試在單分子磁體中通過打破空間反演對稱引入鐵電極化，從而進(jìn)一步增強(qiáng)單分子磁體中的磁電耦合效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)電場對單分子磁體磁性的調(diào)控。
以上研究結(jié)果已發(fā)表于《美國化學(xué)會志》（J. Am. Chem. Soc. 140, 7795-7798 (2018)）。馬怡妮娜為論文的共同第一作者，孫陽為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目（11534015）的支持。
