中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
單分子磁體（single-molecule magnet）是由分立的、無(wú)磁性相互作用的納米尺寸分子單元構成的一類(lèi)特殊磁體，每個(gè)分子都是一個(gè)獨立的磁性功能單元，其在高溫下表現為超順磁性，在低溫下出現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)現超高密度信息存儲。同時(shí)，對單分子磁體的磁化量子隧穿效應的研究也有利于揭示量子力學(xué)行為是如何在宏觀(guān)尺度上起作用，并可能應用于量子計算。自1993年發(fā)現第一個(gè)單分子磁體Mn12以來(lái)，人們已經(jīng)合成出大量基于過(guò)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(kāi)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(yáng)指導博士生馬怡妮娜與南開(kāi)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(guān)察到顯著(zhù)的磁介電效應。
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，尺寸可以達到毫米量級，為電學(xué)測量打下了基礎。在該晶體中，強自旋-軌道耦合的Dy離子處于輕微畸變的八面體配位場(chǎng)中，具有單軸各向異性，有利于形成單分子磁體。通過(guò)交流磁化率和直流磁化強度的測量，確定了該單分子磁體的低溫磁性弛豫行為和磁各向異性。在此基礎上，馬怡妮娜利用孫陽(yáng)研究組自主研制的多功能磁電耦合測量系統，仔細測量了該單分子磁體不同晶向的介電常數隨溫度和磁場(chǎng)的變化。在低溫下（2—40 K），其介電常數隨磁場(chǎng)增加而上升，到8T磁場(chǎng)時(shí)依然沒(méi)有飽和，表現出顯著(zhù)的磁介電效應。該效應被認為是來(lái)源于高自旋態(tài)的三價(jià)Dy離子，具有較強的自旋-晶格耦合，外加磁場(chǎng)導致局域晶格的收縮，進(jìn)而產(chǎn)生電容的變化。這是首次在單分子磁體中觀(guān)察到磁介電/磁電容效應，預示著(zhù)在單分子磁體中也有望實(shí)現本征磁電耦合效應。未來(lái)，研究者將通過(guò)結構設計，嘗試在單分子磁體中通過(guò)打破空間反演對稱(chēng)引入鐵電極化，從而進(jìn)一步增強單分子磁體中的磁電耦合效應，最終實(shí)現電場(chǎng)對單分子磁體磁性的調控。
以上研究結果已發(fā)表于《美國化學(xué)會(huì )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(yáng)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。
