近日，重庆大学量子材料与器件研究中心孙阳教授与南开大学王玉霞博士、程鹏教授等合作，通过在一种Dy基单分子磁体中引入铁电性，实现了首个具有强磁电耦合效应的单分子量子磁体。相关研究成果以“Electrical detection and modulation of magnetism in a Dy-based ferroelectric single-molecule magnet”为题发表于《Nature Communications》(2023)。
单分子磁体是一类由磁性分子/离子和有机配体组成的特殊磁性材料，在低温下表现出磁化强度共振量子隧穿行为，有望应用于固态量子计算和自旋电子学器件。自1990年代发现单分子磁体以来，人们已经合成出大量单分子磁体，对其磁学性质开展了广泛的研究，而对单分子磁体电学性质的研究还很少。由于单分子磁体都是很好的绝缘体，常规的电输运和霍尔效应的测量对单分子磁体并不适用。能否通过外场调控单分子磁体的磁化共振量子隧穿，如何将磁化共振量子隧穿转化为方便快捷的电学测量信号，这些都是单分子磁体研究领域面临的挑战和瓶颈。
孙阳教授及合作者设计并合成出一种Dy基单分子磁体，其在250 K发生顺电-铁电相变，并在低温下（T < 12 K）表现出典型的单分子量子磁体行为。利用铁电态具有的压电效应，外加电场可以有效调控其磁滞回线、交流磁化率和磁性弛豫时间。同时，外加磁场可以改变电极化强度。更为有意思的是，磁电耦合导致其介电常数在发生磁化共振量子隧穿时出现一个尖峰，因而可以通过电学测量来探测磁化共振量子隧穿。
这项研究工作不仅开辟了铁电单分子磁体这一新的研究方向，也为单分子磁体在量子计算等领域的应用奠定了基础。
该研究得到了国家自然科学基金和科技部重点研发等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43815-w
