基於單分子磁體的單自旋態製備和探測

《基於單分子磁體的單自旋態製備和探測》是依託西南大學，由王俊忠擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：基於單分子磁體的單自旋態製備和探測
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：王俊忠
• 依託單位：西南大學

項目摘要

作為連線經典物理和量子力學之間的橋樑, 單分子磁體既具有巨觀磁性，也具有微觀量子特徵, 如自旋量子隧穿、Berry相位和量子相干。因此單分子磁體可以檢驗量子力學的基本原理和巨觀極限。此外，由於具有較長的弛豫時間和量子相干時間，單分子磁體適用於高密度磁存儲和固態量子計算。本項目旨在通過分子自組裝的方法，在半金屬表面製備單分子磁體Mn12的低維納米結構，如一維分子鏈或兩維納米糰簇陣列，從而實現單自旋態的構築。在此基礎上，利用STM磁性針尖檢測Mn12的自旋態。通過自旋分辨的掃描隧道譜和微分電導圖像，揭示分子內部的自旋密度分布。最後，通過隧穿電導隨外加磁場的變化曲線，測定Mn12分子的自旋量子隧穿，探索分子磁矩在量子隧穿模式下的反轉機制和規律，為單分子自旋態的探測和調控，及其在量子信息中的套用提供新的思路。

結題摘要

由於具有較大的自旋和自旋量子隧穿效應，單分子磁體在信息存儲、量子計算和自旋電子學領域具有重要的套用價值。本項目系統研究了單分子磁體Mn12和MnPc分子在半金屬表面Bi(111)和HOPG上的吸附及分子-襯底的相互作用：(i) 發展了一套適用於溶液分子的針尖沉積方法。利用脈衝電壓把Mn12分子從STM針尖完整地移植到半金屬表面。(ii) 利用LT-STM/STS技術研究了分子的形貌和態密度，發現Mn12分子有平躺和側躺兩種不同取向。由於分子和襯底之間相互作用，分子能隙相比自由分子下降了60 %。然後基於空間分辨的dI/dV圖像，首次在實空間觀察到Mn12的前沿分子軌道。(iii) 利用DFT+U方法計算了Mn12在 Bi(111)的吸附占位，模擬的分子軌道與STM實驗觀測一致。(iv) 研究了Mn12分子在HOPG表面的吸附和自組裝。發現在液氮溫區Mn12易於形成團簇，在液氦溫區存在單個的Mn12分子。(v) 在4.5K的液氦溫區，Mn12分子沒有Kondo效應；但在液氮溫區Mn12分子表現出較強的Kondo效應，這歸因於Mn12分子較強的磁各向異性。(vi) 研究了另一種磁性分子MnPc在Bi(111)表面的吸附和自組裝，發現分子在液氮溫區的轉動現象。上述研究結果為直接觀測單個磁性分子的幾何和電學性質提供了新的思路。