上海交大王世勇和庄小东团队实现分子量子磁体的精准构筑

　　

10月24日，《自然化学》以“Quantum nanomagnets in on-surface metal-free porphyrins”为题发表了上海交通大学物理与天文学院王世勇和化学化工学院张江高等研究院合成中心庄小东教授合作的最新成果。该研究通过表面化学合成方法，在无金属卟啉分子链中，成功地构建了一系列的分子量子磁体，并观测到了集体的量子激发态和分数化末端态（图1）。

图1 无金属分子量子磁体的精准构筑

量子磁体具有SU(2)旋转对称性，由于显著的量子涨落现象，其表现出集体的量子激发行为。 尽管量子磁性的理论研究工作众多，但单个量子磁体的实验研究仍然面临很大的挑战，极大地阻碍了这一前沿领域的发展。对于传统的过渡金属磁体，自旋轨道耦合与晶体场劈裂效应引入了显著的磁各项异性能，打破了自旋的旋转对称性，因此量子涨落现象不明显。寻找高质量的量子自旋体系，一直是该方向亟待解决的一个科学难题。前期，该研究团队发现在纳米石墨烯中可以引入离域的pi电子磁性。该离域磁性具有SU(2) 旋转对称性，其磁交换强度和磁交换方向可以精准地调控（Nature Communications, 11, 6076 (2020)；J. Am. Chem. Soc., 142, 18532–18540 (2020); Phys. Rev. Lett. 124, 147206 (2020); Nano Lett. 20, 6859–6864 (2020); Nature Communications 13, 1705 (2022); CCS Chemistry 022, 202201895, (2022)). 在该工作中，研究人员进一步在无金属的卟啉体系中，精准构筑了一维量子自旋链。通过超高分辨的扫描隧穿微分谱技术，确定性证实了其存在末端分数激发效应，和Haldane理论预测相符合（见图2）。

图2 左：分子量子磁体化学结构，右：谱学观察到的末端分数自旋

研究人员结合了三种不同的合成手段有效地实现分子量子磁体的构建，发展了一种高效制备低维磁性系统的新方法。如图二所示，首先在溶液中合成卟啉分子前驱体；然后利用表面化学合成，制备出不同长度的无磁性分子链；最后通过扫描探针原子操作的方法，精准可控地在其中构建出任意组合的量子自旋链（如图3a-b）。研究人员利用化学键分辨的非接触原子力显微镜成像对探针操纵过程中分子化学结构进行了追踪，直观探测到分子量子磁体从无磁性转为S=1/2自旋链，以及S=1自旋链的过程（3c-e）。研究人员利用扫描隧穿谱技术和海森堡模型计算对构建的一系列分子量子磁体进行了深入的表征和分析。研究表明：分子量子磁体中每个卟啉单元内部存在两个非局域的自旋，且它们之间存在强度为20 meV的铁磁交换作用；相邻两个卟啉单元之间的自旋存在强度约为3 meV反铁磁交换作用。实验发现S=1/2反铁磁分子自旋链具有有限的激发能隙，符合海森堡反铁磁S=1/2模型。整数S=1反铁磁分子自选链具有分数化的末端态，在实空间确定性地证实了Haldane的预测。

图3 分子量子磁体的合成路径，扫描隧道显微镜展示的量子磁体制备情况，非接触原子力显微镜展示的量子自旋链构造情况。

量子自旋系统一直以来是量子关联多体系统中的一个重要领域，对理解高温超导、量子自旋液体等重要问题有巨大的推进作用，并在量子信息和量子计算方向有潜在的应用前景。在量子关联多体系统中寻找新方法，发展新实验手段，一直是物理学研究中的重要问题。迄今为止，如何制备精准且可调的低维量子磁性系统，以及如何在实空间探测单根的低维量子磁性系统，一直是凝聚态实验物理方向的一个难点。该研究工作巧妙地利用交叉学科的方法，实现结构原子级精准的量子磁体制备，解决材料制备的难点问题。研究人员在单个自旋精度下，对量子磁体的行为进行系统的研究，相关的实验结果可以直接和量子理论计算比较，实验了理论和实验的有机结合。另外，该方法具有很好的扩展性，有望进一步发展，实现任意低维量子磁性系统的构建，提供一个新的平台去研究量子磁性。

上海交通大学物理与天文学院的博士生赵燕，李灿和化学化工学院的博士生姜恺悦为该工作的共同第一作者，王世勇和庄小东为通讯作者。本工作主要由国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金委和霍英东青年教师基金资助，与上海交大秦明谱教授课题组和上海交大贾金锋院士团队合作完成。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-022-01061-5

作者：

叶丹

供稿单位：

物理与天文学院