物理所發(fā)現(xiàn)金屬-有機骨架中的共振量子磁電耦合效應

　　金屬-有機骨架（Metal-Organic Framework，MOF）是指金屬離子與有機官能團相互鏈接，共同構筑的長程有序晶態(tài)結構。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用前景而受到廣泛關注。近幾年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）磁學國家重點實驗室研究員孫陽領導的M06組開展了MOF材料的磁電性質研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果，例如，首次發(fā)現(xiàn)了MOF中磁化強度共振量子隧穿效應【Phys. Rev. Lett. 112, 017202 (2014)】；率先報道了MOF中在順磁態(tài)和多鐵態(tài)的磁電耦合效應【Sci. Rep.3, 2024 (2013); Sci. Rep. 4, 6062 (2014)】；實現(xiàn)了MOF中接近室溫的磁電耦合效應【Phys. Status Solidi RRL 9, 62 (2015)】等。近期，孫陽研究組在MOF領域的研究取得了新進展，發(fā)現(xiàn)了一種全新的物理效應——共振量子磁電耦合效應。

　　1996年，美國和意大利科學家分別在一些單分子磁體（如Mn12）中觀察到磁化強度共振量子隧穿效應，表現(xiàn)為宏觀磁化強度隨外加磁場出現(xiàn)規(guī)則的臺階跳變。利用單分子磁體的磁化強度共振量子隧穿，有望構建固態(tài)量子比特，用于量子信息與量子計算。但是，磁化強度共振量子隧穿的實驗測量往往要用到一些精細復雜的實驗設備，如超導量子干涉儀或者基于同步輻射光源的光譜技術。2014年，孫陽和研究生田英等發(fā)現(xiàn)一種鈣鈦礦結構的MOF材料[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3具有自發(fā)的磁性相分離，即同時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)出磁化強度共振量子隧穿行為【PRL 112, 017202 (2014)】。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，該Fe-MOF是一個多鐵性材料，同時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。因此，該Fe-MOF成為一個獨特的多鐵性體系，同時具有磁化強度共振量子隧穿和磁電耦合效應，兩者的結合可能會導致全新的物理效應。

　　在孫陽指導下，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測量系統(tǒng)，精確測量了該Fe-MOF在2 K下的磁電耦合效應。實驗結果顯示，在發(fā)生磁化強度共振量子隧穿時，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磁電耦合在電學性質上體現(xiàn)出來。孫陽將這一物理效應命名為共振量子磁電耦合效應 (resonant quantum magnetoelectric effect)，并基于角動量守恒原理對其微觀物理機制做了定性的解釋。這一發(fā)現(xiàn)首次將磁化強度共振量子隧穿與磁電耦合效應結合起來，利用該共振效應，只需簡單地測量磁場下的介電行為，就可以探測磁化強度共振量子隧穿，為未來磁化強度共振量子隧穿的實際應用奠定了物理基礎。

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

　　該工作得到了國家自然科學基金和中國科學院項目的資助。

圖1 金屬-有機骨架[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3的晶體結構。

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

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