無論隨身攜帶的智能手機(jī)，還是部署在機(jī)房里的超級(jí)計(jì)算機(jī)，擁有更大的儲(chǔ)存空間和能力是它們共同的技術(shù)“夢(mèng)想”。隨著材料研究不斷深入，單分子磁體也“應(yīng)運(yùn)而生”，而以單分子磁體作為信息存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)超高密度信息存儲(chǔ)，也成為科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)。

自從1993年首次發(fā)現(xiàn)第一個(gè)單分子磁體Mn12以來，對(duì)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(xué)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(yīng)。日前，記者采訪了試驗(yàn)者之一、南開大學(xué)化學(xué)系王玉霞博士，聽她講述了電場(chǎng)如何讓單分子磁體“聽話”并對(duì)其磁性調(diào)控的奇妙過程。

大“肚量”――具有更強(qiáng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gòu)成的一類特殊磁體，每個(gè)分子都是一個(gè)獨(dú)立的磁性功能單元，其在高溫下表現(xiàn)為超順磁性，在低溫下出現(xiàn)磁滯和磁化量子隧穿行為。

王玉霞告訴科技日?qǐng)?bào)記者，普通磁鐵物質(zhì)磁性主要來源于相鄰的順磁中心之間的磁相互作用，納米磁性粒子由于尺寸的關(guān)系，會(huì)產(chǎn)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(chǎng)方向）和“1”（分子取向逆磁場(chǎng)方向）的兩個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換?！罢沁@種特性讓單分子磁體有了大的‘肚量’，可以極大地提升信息存儲(chǔ)密度，意味著通過這種磁體制成的存儲(chǔ)設(shè)備具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力?！蓖跤裣颊f道，“單分子磁體技術(shù)可以在每平方英寸（6.45平方厘米）儲(chǔ)存超過200兆比特?cái)?shù)據(jù)，未來如果應(yīng)用到量子計(jì)算機(jī)上，有望實(shí)現(xiàn)超高密度信息存儲(chǔ)?！?/p>

有“個(gè)性”――可能“偷懶抄近道”直線穿越

磁和電是物質(zhì)的兩種基本性質(zhì)，早在100多年前，麥克斯韋等科學(xué)家就將磁與電統(tǒng)一在了電動(dòng)力學(xué)的框架下，科學(xué)家們一直都在努力探索固體中磁性與電性的耦合和調(diào)控。

《詩經(jīng)》有云“投我以木瓜，報(bào)之以瓊琚”，科學(xué)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(chǎng)面。王玉霞告訴記者，單分子磁體磁行為都是由單個(gè)分子的慢磁弛豫表現(xiàn)出來的。“所謂弛豫，通俗地說就是時(shí)間?！笨吹接浾咭荒樸露?，王玉霞打比方解釋道：“好比人翻山越嶺，單分子磁體表現(xiàn)出磁性行為，它的電子也要通過一個(gè)高坡從一邊‘爬到’另一邊，通常這都會(huì)需要有一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是弛豫?！辈稍L中記者了解到，由于稀土元素的能級(jí)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(shí)間也就短了?！斑@些都是不利于單分子磁體的磁性能表達(dá)的?！蓖跤裣颊f，“我們的研究希望能將單分子磁體的‘個(gè)性’更好地平衡，通過電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁性的有效、可逆調(diào)控?！?/p>

這種磁電的有序可控意味著高的轉(zhuǎn)換效率，也意味著可觀的應(yīng)用前景?！袄缭诖糯鎯?chǔ)方面，磁記錄讀取速度快而寫入慢，鐵電記錄讀取復(fù)雜而寫入快，如果使用多鐵磁電材料就可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高速率的讀寫過程?！蓖跤裣颊f道。

前景廣――存儲(chǔ)密度比當(dāng)前技術(shù)高出數(shù)百倍

隨著無線通信技術(shù)、信息存儲(chǔ)技術(shù)、電磁干擾技術(shù)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，人們對(duì)材料的選擇和器件的微型化及集成化設(shè)計(jì)提出了更高要求。單分子磁體的磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有將能量在磁場(chǎng)和電場(chǎng)之間自由轉(zhuǎn)換以及磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)大等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在傳感器、多態(tài)存儲(chǔ)器及射頻微波器件中具有廣泛的應(yīng)用前景。采訪中，王玉霞也透露，她們更希望通過化學(xué)合成的方法，嘗試通過打破空間反演對(duì)稱引入鐵電極化，增強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)磁性或磁場(chǎng)對(duì)電性的調(diào)控，獲得同時(shí)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(yīng)是所有儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的必要因素。理論上來說，使用單分子進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以提供比當(dāng)前技術(shù)高出百倍的數(shù)據(jù)密度。”王玉霞說道，這也意味著單分子磁體有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前，單分子磁體的磁構(gòu)關(guān)系已經(jīng)比較明確。王玉霞告訴記者，可根據(jù)分子的構(gòu)型初步預(yù)測(cè)單分子磁體的性質(zhì)，若分子屬于具有較大磁各向異性的對(duì)稱性構(gòu)型，更有望成為單分子磁體。記者了解到，此次實(shí)驗(yàn)中，王玉霞和科研伙伴們利用溶液緩慢蒸發(fā)法，合成出這種稀土鏑單分子磁體單晶樣品，尺寸達(dá)到毫米量級(jí)。在該晶體中，強(qiáng)自旋―軌道耦合的鏑離子處于輕微畸變的八面體配位場(chǎng)中，具有單軸各向異性，有利于形成單分子磁體。通過交流磁化率和直流磁化強(qiáng)度的測(cè)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。這一研究也為后續(xù)的電學(xué)持續(xù)測(cè)量觀察打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（記者 孫玉松）