科學家首次在單分子磁體中觀察到磁介電效應

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成的一類特殊磁體，每個分子都是一個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，用於實現超高密度信息存儲。同時，對單分子磁體的磁化量子隧穿效應的研究也有利於揭示量子力學行為是如何在宏觀尺度上起作用，並可能應用於量子計算。自1993年發現第一個單分子磁體Mn12以來，人們已經合成出大量基於過渡金屬磁性離子和稀土磁性離子的單分子磁體，並對其磁性開展了深入的研究。然而，對於單分子磁體的電學性質的研究還鮮有報道。近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室研究員孫陽指導博士生馬怡妮娜與南開大學化學系博士王玉霞、教授師唯、程鵬等合作，研究了單分子磁體的介電性質，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。

王玉霞等利用溶液緩慢蒸發法合成出一種[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，為電學測量打下了基礎。在該晶體中，強自旋-軌道耦合的Dy離子處於輕微畸變的八面體配位場中，具有單軸各向異性，有利於形成單分子磁體。通過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，馬怡妮娜利用孫陽研究組自主研製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的變化。在低溫下（2—40 K），其介電常數隨磁場增加而上升，到8T磁場時依然沒有飽和，表現出顯著的磁介電效應。該效應被認為是來源於高自旋態的三價Dy離子，具有較強的自旋-晶格耦合，外加磁場導致局域晶格的收縮，進而產生電容的變化。這是首次在單分子磁體中觀察到磁介電/磁電容效應，預示著在單分子磁體中也有望實現本徵磁電耦合效應。未來，研究者將通過結構設計，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，從而進一步增強單分子磁體中的磁電耦合效應，最終實現電場對單分子磁體磁性的調控。

以上研究結果已發表於《美國化學會志》（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基金重點項目（11534015）的支持。

圖1. [Dy(L)2(C2H5OH)Cl3]·C2H5OH單分子磁體的晶體結構。

圖2. Dy-基單分子磁體的交流磁化率。

圖3. Dy-基單分子磁體的磁化曲線和磁介電效應。

來源：中國科學院物理研究所

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