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物理所发现金属-有机骨架中的共振量子磁电耦合效应

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。/ 更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  金属-有机骨架(Metal-Organic Framework,MOF)是指金属离子与有机官能团相互链接,共同构筑的长程有序晶态结构。MOF材料因在清洁能源、催化、吸附、环保等方面具有重要的应用前景而受到广泛关注。近几年,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室研究员孙阳领导的M06组开展了MOF材料的磁电性质研究,取得了一系列创新性成果,例如,首次发现了MOF中磁化强度共振量子隧穿效应【Phys. Rev. Lett. 112, 017202 (2014)】;率先报道了MOF中在顺磁态和多铁态的磁电耦合效应【Sci. Rep.3, 2024 (2013); Sci. Rep. 4, 6062 (2014)】;实现了MOF中接近室温的磁电耦合效应【Phys. Status Solidi RRL9, 62 (2015)】等。近期,孙阳研究组在MOF领域的研究取得了新进展,发现了一种全新的物理效应——共振量子磁电耦合效应。

  1996年,美国和意大利科学家分别在一些单分子磁体(如Mn12)中观察到磁化强度共振量子隧穿效应,表现为宏观磁化强度随外加磁场出现规则的台阶跳变。利用单分子磁体的磁化强度共振量子隧穿,有望构建固态量子比特,用于量子信息与量子计算。但是,磁化强度共振量子隧穿的实验测量往往要用到一些精细复杂的实验设备,如超导量子干涉仪或者基于同步辐射光源的光谱技术。2014年,孙阳和研究生田英等发现一种钙钛矿结构的MOF材料[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3具有自发的磁性相分离,即同时存在反铁磁有序相和孤立的单离子磁体,并在低温下表现出磁化强度共振量子隧穿行为【PRL112, 017202 (2014)】。进一步的研究发现,该Fe-MOF是一个多铁性材料,同时具有铁电有序和磁有序,并在磁有序温度(~ 19 K)以下表现出明显的磁电耦合效应。因此,该Fe-MOF成为一个独特的多铁性体系,同时具有磁化强度共振量子隧穿和磁电耦合效应,两者的结合可能会导致全新的物理效应。

  在孙阳指导下,研究生田英、申世鹏、丛君状等利用自主研制的多功能磁电耦合效应测量系统,精确测量了该Fe-MOF在2 K下的磁电耦合效应。实验结果显示,在发生磁化强度共振量子隧穿时,磁介电行为出现了异常的尖峰,表明磁性的共振量子隧穿可以通过磁电耦合在电学性质上体现出来。孙阳将这一物理效应命名为共振量子磁电耦合效应 (resonant quantum magnetoelectric effect),并基于角动量守恒原理对其微观物理机制做了定性的解释。这一发现首次将磁化强度共振量子隧穿与磁电耦合效应结合起来,利用该共振效应,只需简单地测量磁场下的介电行为,就可以探测磁化强度共振量子隧穿,为未来磁化强度共振量子隧穿的实际应用奠定了物理基础。

  图2. 金属-有机骨架[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3的磁化强度共振量子隧穿和磁介电行为。

  金属-有机骨架(Metal-Organic Framework,MOF)是指金属离子与有机官能团相互链接,共同构筑的长程有序晶态结构。MOF材料因在清洁能源、催化、吸附、环保等方面具有重要的应用前景而受到广泛关注。近几年,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室研究员孙阳领导的M06组开展了MOF材料的磁电性质研究,取得了一系列创新性成果,例如,首次发现了MOF中磁化强度共振量子隧穿效应【Phys. Rev. Lett. 112, 017202 (2014)】;率先报道了MOF中在顺磁态和多铁态的磁电耦合效应【Sci. Rep. 3, 2024 (2013); Sci. Rep. 4, 6062 (2014)】;实现了MOF中接近室温的磁电耦合效应【Phys. Status Solidi RRL 9, 62 (2015)】等。近期,孙阳研究组在MOF领域的研究取得了新进展,发现了一种全新的物理效应——共振量子磁电耦合效应。

  1996年,美国和意大利科学家分别在一些单分子磁体(如Mn12)中观察到磁化强度共振量子隧穿效应,表现为宏观磁化强度随外加磁场出现规则的台阶跳变。利用单分子磁体的磁化强度共振量子隧穿,有望构建固态量子比特,用于量子信息与量子计算。但是,磁化强度共振量子隧穿的实验测量往往要用到一些精细复杂的实验设备,如超导量子干涉仪或者基于同步辐射光源的光谱技术。2014年,孙阳和研究生田英等发现一种钙钛矿结构的MOF材料[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3具有自发的磁性相分离,即同时存在反铁磁有序相和孤立的单离子磁体,并在低温下表现出磁化强度共振量子隧穿行为【PRL 112, 017202 (2014)】。进一步的研究发现,该Fe-MOF是一个多铁性材料,同时具有铁电有序和磁有序,并在磁有序温度(~ 19 K)以下表现出明显的磁电耦合效应。因此,该Fe-MOF成为一个独特的多铁性体系,同时具有磁化强度共振量子隧穿和磁电耦合效应,两者的结合可能会导致全新的物理效应。

  在孙阳指导下,研究生田英、申世鹏、丛君状等利用自主研制的多功能磁电耦合效应测量系统,精确测量了该Fe-MOF在2 K下的磁电耦合效应。实验结果显示,在发生磁化强度共振量子隧穿时,磁介电行为出现了异常的尖峰,表明磁性的共振量子隧穿可以通过磁电耦合在电学性质上体现出来。孙阳将这一物理效应命名为共振量子磁电耦合效应 (resonant quantum magnetoelectric effect),并基于角动量守恒原理对其微观物理机制做了定性的解释。这一发现首次将磁化强度共振量子隧穿与磁电耦合效应结合起来,利用该共振效应,只需简单地测量磁场下的介电行为,就可以探测磁化强度共振量子隧穿,为未来磁化强度共振量子隧穿的实际应用奠定了物理基础。

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

  图2. 金属-有机骨架[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3的磁化强度共振量子隧穿和磁介电行为。

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