物理所金屬有機骨架中磁性量子隧穿研究獲進展

　　金屬-有機骨架(Metal-Organic Framework，MOF)是指金屬離子與有機官能團通過共價鍵或離子-共價鍵相互連接，共同構筑的長程有序晶態結構。這類MOF材料因在催化、儲氫和光學元件等方面具有潛在的應用價值而受到廣泛關注，是近十年來化學和材料科學領域的一個研究熱點。最近幾年，金屬-有機骨架材料的磁性和電學性質開始引起人們的興趣，人們先后在一些金屬-有機骨架材料中發現了新型有機磁體、有機鐵電體和多鐵體等。近期，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)磁學國家重點實驗室孫陽研究組在金屬-有機骨架材料的磁性研究方面取得了新進展，發現一種鐵基金屬-有機骨架材料在低溫下表現出磁化強度共振量子隧穿行為。

　　磁化強度量子隧穿(quantum tunneling of magnetization)是一種宏觀量子效應。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，表現為宏觀磁化強度隨外加磁場出現規則的臺階跳變。利用磁化強度量子隧穿可以構建固態量子比特，用于量子信息與量子計算。最近，孫陽研究組的碩士研究生田英與磁學實驗室王守國副研究員、韓秀峰研究員等合作，利用溶劑熱反應法制備出一種鈣鈦礦結構的金屬-有機骨架材料[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3單晶樣品。對其磁性研究表明，該體系具有兩個磁相變，在18.5K發生一個順磁-傾斜反鐵磁相變，在9K以下發生一個磁阻塞(blocking)轉變。在磁阻塞溫度以下，其沿易磁化軸方向的磁化曲線開始出現回滯。在2K時，磁化曲線表現出臺階狀的磁滯回線。同時，交流磁化率的虛部在低溫下也出現一個頻率依賴的峰。這些行為都是單分子/單離子磁化強度共振量子隧穿的典型特征。上述實驗結果表明金屬-有機骨架材料[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3存在本征的磁性相分離——同時存在長程關聯的反鐵磁有序和孤立的單離子量子磁體。為了理解這一奇特磁性質，孫陽等提出了一個氫鍵依賴的遠距離超交換作用(long-distance superexchange)模型。在傳統的安德森超交換作用理論中，交換作用的強度依賴于交換路徑(exchange path)的幾何因子，可以定性地由Goodenough-Kanamori規則來確定。在金屬-有機骨架中，當兩個磁性離子通過一個有機鏈發生遠距離超交換作用時，其交換路徑會受到有機鏈周圍氫鍵的影響。當有機鏈上形成的氫鍵足夠強時，超交換作用可能會被大大抑制，導致孤立的單離子量子磁體的產生。

　　這一工作不僅將磁化強度共振量子隧穿效應推廣到一個新的材料體系，并且揭示出氫鍵可以對有機磁性具有決定性的影響，通過控制氫鍵的強度、位置、取向等參數將可以有效地控制有機材料的磁性。以上研究結果發表在近期的《物理評論快報》【Phys. Rev. Lett. 112, 017202 (2014)】上。

　　該工作得到了科技部量子調控項目及國家自然科學基金的資助。

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的磁相變。

圖3. 磁化強度共振量子隧穿行為。

圖4. 金屬-有機骨架中磁性相分離示意圖。