無論隨身攜帶的智能手機, 還是部署在機房裡的超級計算機, 擁有更大的儲存空間和能力是它們共同的技術 '夢想' . 隨著材料研究不斷深入, 單分子磁體也 '應運而生' , 而以單分子磁體作為資訊存儲單元, 實現超高密度資訊存儲, 也成為科學家們孜孜以求的目標.
自從1993年首次發現第一個單分子磁體Mn12以來, 對單分子磁體的磁電性能研究也不斷深入. 近日, 中科院物理研究所和南開大學的科研人員首次在一種含稀土離子鏑 (Dy) 的單分子磁體中, 觀察到了顯著的磁—介電效應. 日前, 記者採訪了試驗者之一, 南開大學化學系王玉霞博士, 聽她講述了電場如何讓單分子磁體 '聽話' 並對其磁性調控的奇妙過程.
大 '肚量' ——具有更強數據存儲能力
單分子磁體是由分立的, 無磁性相互作用的納米尺寸分子單元構成的一類特殊磁體, 每個分子都是一個獨立的磁性功能單元, 其在高溫下表現為超順磁性, 在低溫下出現磁滯和磁化量子隧穿行為.
王玉霞告訴科技日報記者, 普通磁鐵物質磁性主要來源於相鄰的順磁中心之間的磁相互作用, 納米磁性粒子由於尺寸的關係, 會產生一些特殊的量子行為. 單分子磁體可以像微小磁鐵一樣, 在 '0' (分子取向順磁場方向) 和 '1' (分子取向逆磁場方向) 的兩個狀態之間轉換. '正是這種特性讓單分子磁體有了大的 '肚量' , 可以極大地提升資訊存儲密度, 意味著通過這種磁體製成的存儲設備具有更強的數據存儲能力. ' 王玉霞說道, '單分子磁體技術可以在每平方英寸 (6.45平方厘米) 儲存超過200兆比特數據, 未來如果應用到量子計算機上, 有望實現超高密度資訊存儲. '
有 '個性' ——可能 '偷懶抄近道' 直線穿越
磁和電是物質的兩種基本性質, 早在100多年前, 麥克斯韋等科學家就將磁與電統一在了電動力學的框架下, 科學家們一直都在努力探索固體中磁性與電性的耦合和調控.
《詩經》有雲 '投我以木瓜, 報之以瓊琚' , 科學家們一直希望在單分子磁體上也能看到這種 '和諧' 的電磁耦合場面. 王玉霞告訴記者, 單分子磁體磁行為都是由單個分子的慢磁弛豫表現出來的. '所謂弛豫, 通俗地說就是時間. ' 看到記者一臉懵懂, 王玉霞打比方解釋道: '好比人翻山越嶺, 單分子磁體表現出磁性行為, 它的電子也要通過一個高坡從一邊 '爬到' 另一邊, 通常這都會需要有一定的時間, 這個時間就是弛豫. ' 採訪中記者了解到, 由於稀土元素的能級較多, 單分子磁體的電子有可能 '偷懶抄近道' 直線穿越, 這樣從一邊到另一邊的能量消耗就更少了, 弛豫時間也就短了. '這些都是不利於單分子磁體的磁性能表達的. ' 王玉霞說, '我們的研究希望能將單分子磁體的 '個性' 更好地平衡, 通過電場實現磁性的有效, 可逆調控. '
這種磁電的有序可控意味著高的轉換效率, 也意味著可觀的應用前景. '例如在磁存儲方面, 磁記錄讀取速度快而寫入慢, 鐵電記錄讀取複雜而寫入快, 如果使用多鐵磁電材料就可能同時實現超高速率的讀寫過程. ' 王玉霞說道.
前景廣——存儲密度比當前技術高出數百倍
隨著無線通信技術, 資訊存儲技術, 電磁幹擾技術等領域的快速發展, 人們對材料的選擇和器件的微型化及整合化設計提出了更高要求. 單分子磁體的磁電異質結構具有將能量在磁場和電場之間自由轉換以及磁電轉換係數大等諸多優點, 因此在感測器, 多態存儲器及射頻微波器件中具有廣泛的應用前景. 採訪中, 王玉霞也透露, 她們更希望通過化學合成的方法, 嘗試通過打破空間反演對稱引入鐵電極化, 增強磁電耦合效應, 實現電場對磁性或磁場對電性的調控, 獲得同時具有單分子磁體和鐵電體行為的新穎磁電材料.
'單分子磁體顯示磁記憶效應是所有儲存數據的必要因素. 理論上來說, 使用單分子進行數據存儲可以提供比當前技術高出百倍的數據密度. ' 王玉霞說道, 這也意味著單分子磁體有著廣闊的應用前景.
目前, 單分子磁體的磁構關係已經比較明確. 王玉霞告訴記者, 可根據分子的構型初步預測單分子磁體的性質, 若分子屬於具有較大磁各向異性的對稱性構型, 更有望成為單分子磁體. 記者了解到, 此次實驗中, 王玉霞和科研夥伴們利用溶液緩慢蒸發法, 合成出這種稀土鏑單分子磁體單晶樣品, 尺寸達到毫米量級. 在該晶體中, 強自旋—軌道耦合的鏑離子處於輕微畸變的八面體配位場中, 具有單軸各向異性, 有利於形成單分子磁體. 通過交流磁化率和直流磁化強度的測量, 確定了該單分子磁體的低溫磁性弛豫行為和磁各向異性. 這一研究也為後續的電學持續測量觀察打下了堅實的基礎.
