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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(gòu)成的一類特殊磁體，每個(gè)分子都是一個(gè)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(chǔ)單元，用于實(shí)現(xiàn)超高密度信息存儲(chǔ)。同時(shí)，對(duì)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(jì)算。自1993年發(fā)現(xiàn)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(duì)其磁性開(kāi)展了深入的研究。然而，對(duì)于單分子磁體的電學(xué)性質(zhì)的研究還鮮有報(bào)道。近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員孫陽(yáng)指導(dǎo)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(jí)，為電學(xué)測(cè)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(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(qiáng)度的測(cè)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(yáng)研究組自主研制的多功能磁電耦合測(cè)量系統(tǒng)，仔細(xì)測(cè)量了該單分子磁體不同晶向的介電常數(shù)隨溫度和磁場(chǎng)的變化。在低溫下（2—40 K），其介電常數(shù)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(xiàn)出顯著的磁介電效應(yīng)。該效應(yīng)被認(rèn)為是來(lái)源于高自旋態(tài)的三價(jià)Dy離子，具有較強(qiáng)的自旋-晶格耦合，外加磁場(chǎng)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(lái)，研究者將通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，嘗試在單分子磁體中通過(guò)打破空間反演對(duì)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(chǎng)對(duì)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(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（11534015）的支持。
圖3. Dy-基單分子磁體的磁化曲線和磁介電效應(yīng)。
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