金屬-有機(jī)骨架（Metal-Organic Framework，MOF）是指金屬離子與有機(jī)官能團(tuán)通過共價(jià)鍵或離子-共價(jià)鍵相互連接，共同構(gòu)筑的長(zhǎng)程有序晶態(tài)結(jié)構(gòu)。這類MOF材料因在催化、儲(chǔ)氫和光學(xué)元件等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值而受到廣泛關(guān)注，是近十年來化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。最近幾年，金屬-有機(jī)骨架材料的磁性和電學(xué)性質(zhì)開始引起人們的興趣，人們先后在一些金屬-有機(jī)骨架材料中發(fā)現(xiàn)了新型有機(jī)磁體、有機(jī)鐵電體和多鐵體等。近期，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫陽(yáng)研究組在金屬-有機(jī)骨架材料的磁性研究方面取得了新進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)一種鐵基金屬-有機(jī)骨架材料在低溫下表現(xiàn)出磁化強(qiáng)度共振量子隧穿行為。

　　磁化強(qiáng)度量子隧穿（quantum tunneling of magnetization）是一種宏觀量子效應(yīng)。1996年，美國(guó)和意大利科學(xué)家分別在一些單分子磁體（如Mn12）中觀察到磁化強(qiáng)度共振量子隧穿，表現(xiàn)為宏觀磁化強(qiáng)度隨外加磁場(chǎng)出現(xiàn)規(guī)則的臺(tái)階跳變。利用磁化強(qiáng)度量子隧穿可以構(gòu)建固態(tài)量子比特，用于量子信息與量子計(jì)算。最近，孫陽(yáng)研究組的碩士研究生田英與磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室王守國(guó)副研究員、韓秀峰研究員等合作，利用溶劑熱反應(yīng)法制備出一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的金屬-有機(jī)骨架材料[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3單晶樣品。對(duì)其磁性研究表明，該體系具有兩個(gè)磁相變，在18.5K發(fā)生一個(gè)順磁-傾斜反鐵磁相變，在9K以下發(fā)生一個(gè)磁阻塞（blocking）轉(zhuǎn)變。在磁阻塞溫度以下，其沿易磁化軸方向的磁化曲線開始出現(xiàn)回滯。在2K時(shí)，磁化曲線表現(xiàn)出臺(tái)階狀的磁滯回線。同時(shí)，交流磁化率的虛部在低溫下也出現(xiàn)一個(gè)頻率依賴的峰。這些行為都是單分子/單離子磁化強(qiáng)度共振量子隧穿的典型特征。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明金屬-有機(jī)骨架材料[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3存在本征的磁性相分離——同時(shí)存在長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)的反鐵磁有序和孤立的單離子量子磁體。為了理解這一奇特磁性質(zhì)，孫陽(yáng)等提出了一個(gè)氫鍵依賴的遠(yuǎn)距離超交換作用（long-distance superexchange）模型。在傳統(tǒng)的安德森超交換作用理論中，交換作用的強(qiáng)度依賴于交換路徑（exchange path）的幾何因子，可以定性地由Goodenough-Kanamori規(guī)則來確定。在金屬-有機(jī)骨架中，當(dāng)兩個(gè)磁性離子通過一個(gè)有機(jī)鏈發(fā)生遠(yuǎn)距離超交換作用時(shí)，其交換路徑會(huì)受到有機(jī)鏈周圍氫鍵的影響。當(dāng)有機(jī)鏈上形成的氫鍵足夠強(qiáng)時(shí)，超交換作用可能會(huì)被大大抑制，導(dǎo)致孤立的單離子量子磁體的產(chǎn)生。

　　這一工作不僅將磁化強(qiáng)度共振量子隧穿效應(yīng)推廣到一個(gè)新的材料體系，并且揭示出氫鍵可以對(duì)有機(jī)磁性具有決定性的影響，通過控制氫鍵的強(qiáng)度、位置、取向等參數(shù)將可以有效地控制有機(jī)材料的磁性。以上研究結(jié)果發(fā)表在近期的《物理評(píng)論快報(bào)》【Phys. Rev. Lett. 112, 017202 (2014)】上。

　　該工作得到了科技部量子調(diào)控項(xiàng)目及國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。