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一種錒系軟鐵環體材料及其制備方法

2024-02-22 10:00:43
云上高博會 http://www.a00n.com
所屬領域:
高端裝備制造
項目成果/簡介:

鐵性材料是凝聚態物理領域中的一個重要研究分支,在外場下極化且極化性質隨外場翻轉,同時產生滯后效應。目前常見的三種鐵性包括鐵磁性(自發磁化)、鐵電性(自發極化)和鐵彈性(自發應變),分別在外加磁場、電場和應力場作用下發生極化且隨外場變化而翻轉。鐵磁性、鐵電性分別打破了時間反演對稱性和空間反射對稱性,而鐵彈性的兩種對稱性均保持不變。根據理論推測,應該存在一種具有單序參量的材料,同時打破時間反演對稱性和空間反射對稱性,被稱為鐵環體材料(Ferrotoroidic materials),即第四種鐵性。鐵環體材料需要同時符合以下四個標準:i. 低于特定溫度的長程有序性;ii. 存在鐵環疇結構;iii. 存在相轉變溫度;iv. 在相轉變溫度附近宏觀磁化率顯著增強。經長達六十年的探索,實驗嚴格證實的鐵環體僅無機晶體材料LiCoPO4一例。由于磁性離子在幾何上并沒有呈現環形排布,LiCoPO4的鐵環矩凈值很低。形成鐵環矩的磁性離子Co2+之間并沒有超交換作用,形成的鐵環性不夠穩定。同時,LiCoPO4材料也無拓展性,不利于功能化修飾和實際應用。

本發明采用有機大環分子與錒酰離子配位,制備得到具有長程有序性的超分子軟鐵環體材料并對其進行了嚴格的實驗表征。同時對該軟鐵環體進行理論計算,揭示了其特性。該材料除了符合上述四項基本標準之外,還具有磁性中心幾何環狀排布的長程鐵環矩和磁性離子之間的超交換作用。因具有強鐵環序和可修飾拓展的特點,因而其應用性顯著提升。研究表明,通過錒系離子穩定的基態磁能級和錒酰離子之間的強超交換相互作用構筑了穩定的長程鐵環矩,在室溫下仍具有明顯的磁滯回效應。

本發明超分子軟鐵環體材料在3-6 K溫度范圍內的交流磁化率。

非頻率依賴的峰意味著材料具有強磁有序性。

本發明超分子軟鐵環體材料的磁滯回效應。

300K仍然有明顯的磁滯回現象。

應用范圍:

本項目獲得的軟鐵環體首次實現在有機分子骨架材料中表現出鐵環矩的長程有序性,為將鐵環體材料推向實際應用創造了條件。其應用主要體現在兩個方面:

1)信息存儲。鐵環體材料具有自發磁化和電極化的特點,并且磁電耦合效應很強。基于本發明進一步開發存儲器件,有望實現低功耗的快速信息存儲和讀寫。除此之外,錒系超分子軟鐵環體材料具有較大的磁能級密度,可以實現更高密度的信息存儲。

2)量子計算。理論研究表明,鐵環體材料具有較強的磁電耦合效應,而這正是實現霍爾效應的必要條件。結合鐵環體內部的磁矩分布和電子結構,鐵環體有望實現量子反常霍爾效應。此外,鐵環體材料也可以用來創建量子門,用于量子電路的基本模塊構建。目前基于磁調控的量子邏輯門主要是通過氮摻雜金剛石或者超導線圈構建的。這些材料往往需要在液氦低溫和低電磁背景噪音的條件下才能對磁基態進行穩定的調控。單分子磁體也是一種構建磁調控量子邏輯門的材料。該類材料具有可修飾性和可擴展性,可以對磁能級進行精細的調控。但是單分子磁性材料的序轉變溫度往往在液氮溫度以下(如(CpiPr5)2Ln2I3的磁滯溫度為60 K),這對材料的性能發揮有著極大的限制。因此,在室溫下仍然保留和磁性質相關的鐵序性材料是構建量子邏輯門的關鍵。室溫下的鐵序性保留意味著更強的磁基態調控以及更便捷的邏輯門構建。

項目階段:

本項目目前處于實驗室階段。

知識產權類型:
發明專利
知識產權編號:
CN 202311099665.8
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