Blatter自由基分子结中单重态-三重态Kondo效应与磁阻的量子调控研究

本文报道了Blatter自由基在低温双端器件中的突破性发现：通过机械控制断裂结(MCBJ)技术首次观测到两种Kondo共振（TK=30-35K和11-17K）与高达21%的负磁阻(MR)效应共存。研究结合量子化学计算与数值重整化群(NRG)理论，揭示单分子结(SMJ)中开放壳层特性的保留机制，提出侧耦合量子点模型解释反常磁输运行为，为分子自旋电子学(spintronics)提供了新型构建模块。

　　

在分子自旋电子学快速发展的背景下，稳定有机自由基作为量子信息器件的关键组分备受关注。1,2,4-苯并三嗪-4-基自由基（Blatter自由基）因其独特的离域未配对电子结构和长自旋寿命成为研究焦点。本研究通过机械控制断裂结(MCBJ)技术在4.2K低温下构建双端分子器件，系统探究了该自由基的量子输运特性。

统计研究发现，Blatter自由基分子结在10^-2-10^-3G₀（G₀=2e²/h）区间呈现多峰电导分布，密度泛函理论(DFT)计算表明这源于单体(M)与二聚体(D)两种构型。其中单体构型通过甲基硫醚(-SCH₃)锚定基团与金电极耦合，而二聚体构型则涉及分子间π堆叠或侧链相互作用。

微分电导谱揭示两类零偏压异常：M1型结显示宽而不对称的Fano线形共振（Γ_K=4.5mV，T_K≈34K），符合Frota函数描述的Kondo效应；M2型结则呈现对称窄峰（Γ_K=2.2mV，T_K≈17K）。磁场依赖实验证实其Kondo本质——M2型结在7T磁场下发生Zeeman分裂，与理论预测B_c≈Γ_K/2gμ_B高度吻合。

更具突破性的发现来自无零偏压峰的D型结，其在30mV偏压下表现出21%的负磁阻效应。通过建立侧耦合量子点模型，研究团队提出单重态-三重态Kondo效应解释机制：当Blatter自由基与第二个S=1/2量子点（可能是金原子簇或第二自由基）存在反铁磁交换作用（J≈20-40meV）时，磁场会减小单重态(S=0)与三重态(S=1)能级差δ(B)，在B*=J/gμ_B处诱发量子相干，导致电导增强。数值重整化群计算完美复现了实验观测的MR-B曲线特征，且证实Dzyaloshinskii-Moriya相互作用可进一步放大该效应。

这项研究首次在双端器件中证实Blatter自由基能保持开放壳层特性，其独特的单重态-三重态Kondo效应为分子自旋阀设计提供了新思路。通过量子化学计算与输运理论的协同验证，不仅解决了先前STM研究与溶液相实验的矛盾结论，更为精准调控分子尺度磁输运性质建立了理论框架。该发现将推动稳定自由基在量子比特、分子存储器等领域的应用突破。