物理所發(fā)現(xiàn)金屬-有機(jī)骨架中的共振量子磁電耦合效應(yīng)

　　金屬-有機(jī)骨架（Metal-Organic Framework，MOF）是指金屬離子與有機(jī)官能團(tuán)相互鏈接，共同構(gòu)筑的長(zhǎng)程有序晶態(tài)結(jié)構(gòu)。MOF材料因在清潔能源、催化、吸附、環(huán)保等方面具有重要的應(yīng)用前景而受到廣泛關(guān)注。近幾年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員孫陽(yáng)領(lǐng)導(dǎo)的M06組開(kāi)展了MOF材料的磁電性質(zhì)研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果，例如，首次發(fā)現(xiàn)了MOF中磁化強(qiáng)度共振量子隧穿效應(yīng)【Phys. Rev. Lett. 112, 017202 (2014)】；率先報(bào)道了MOF中在順磁態(tài)和多鐵態(tài)的磁電耦合效應(yīng)【Sci. Rep.3, 2024 (2013); Sci. Rep. 4, 6062 (2014)】；實(shí)現(xiàn)了MOF中接近室溫的磁電耦合效應(yīng)【Phys. Status Solidi RRL 9, 62 (2015)】等。近期，孫陽(yáng)研究組在MOF領(lǐng)域的研究取得了新進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了一種全新的物理效應(yīng)——共振量子磁電耦合效應(yīng)。

　　1996年，美國(guó)和意大利科學(xué)家分別在一些單分子磁體（如Mn12）中觀察到磁化強(qiáng)度共振量子隧穿效應(yīng)，表現(xiàn)為宏觀磁化強(qiáng)度隨外加磁場(chǎng)出現(xiàn)規(guī)則的臺(tái)階跳變。利用單分子磁體的磁化強(qiáng)度共振量子隧穿，有望構(gòu)建固態(tài)量子比特，用于量子信息與量子計(jì)算。但是，磁化強(qiáng)度共振量子隧穿的實(shí)驗(yàn)測(cè)量往往要用到一些精細(xì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如超導(dǎo)量子干涉儀或者基于同步輻射光源的光譜技術(shù)。2014年，孫陽(yáng)和研究生田英等發(fā)現(xiàn)一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的MOF材料[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3具有自發(fā)的磁性相分離，即同時(shí)存在反鐵磁有序相和孤立的單離子磁體，并在低溫下表現(xiàn)出磁化強(qiáng)度共振量子隧穿行為【PRL 112, 017202 (2014)】。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，該Fe-MOF是一個(gè)多鐵性材料，同時(shí)具有鐵電有序和磁有序，并在磁有序溫度（~ 19 K）以下表現(xiàn)出明顯的磁電耦合效應(yīng)。因此，該Fe-MOF成為一個(gè)獨(dú)特的多鐵性體系，同時(shí)具有磁化強(qiáng)度共振量子隧穿和磁電耦合效應(yīng)，兩者的結(jié)合可能會(huì)導(dǎo)致全新的物理效應(yīng)。

　　在孫陽(yáng)指導(dǎo)下，研究生田英、申世鵬、叢君狀等利用自主研制的多功能磁電耦合效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)，精確測(cè)量了該Fe-MOF在2 K下的磁電耦合效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在發(fā)生磁化強(qiáng)度共振量子隧穿時(shí)，磁介電行為出現(xiàn)了異常的尖峰，表明磁性的共振量子隧穿可以通過(guò)磁電耦合在電學(xué)性質(zhì)上體現(xiàn)出來(lái)。孫陽(yáng)將這一物理效應(yīng)命名為共振量子磁電耦合效應(yīng) (resonant quantum magnetoelectric effect)，并基于角動(dòng)量守恒原理對(duì)其微觀物理機(jī)制做了定性的解釋。這一發(fā)現(xiàn)首次將磁化強(qiáng)度共振量子隧穿與磁電耦合效應(yīng)結(jié)合起來(lái)，利用該共振效應(yīng)，只需簡(jiǎn)單地測(cè)量磁場(chǎng)下的介電行為，就可以探測(cè)磁化強(qiáng)度共振量子隧穿，為未來(lái)磁化強(qiáng)度共振量子隧穿的實(shí)際應(yīng)用奠定了物理基礎(chǔ)。

　　上述研究成果發(fā)表在Journal of the American Chemical Society 138, 782-785 (2016)。

　　該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院項(xiàng)目的資助。

圖1 金屬-有機(jī)骨架[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3的晶體結(jié)構(gòu)。

圖2. 金屬-有機(jī)骨架[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3的磁化強(qiáng)度共振量子隧穿和磁介電行為。

圖3. 金屬-有機(jī)骨架[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3的共振量子磁電耦合效應(yīng)。