10月24日，《自然化学》以“Quantum nanomagnets in on-surface metal-free porphyrins”为题发表了上海交大人工结构及量子调控教育部重点实验室王世勇和化学化工学院张江高等研究院合成中心庄小东教授合作的最新成果。该研究通过表面化学合成方法，在无金属卟啉分子链中，成功的构建了一系列的分子量子磁体，并观测到了集体的量子激发态和分数化末端态（图1）。
图1 无金属分子量子磁体的精准构筑
量子磁体具有SU(2)旋转对称性，由于显著的量子涨落现象，量子磁体会表现出集体的量子激发行为。尽管量子磁性的理论研究工作众多，但单个量子磁体的实验研究仍然面临很大的挑战，极大地阻碍了这一前沿领域的发展。传统的过渡金属磁体，自旋轨道耦合与晶体场劈裂效应引入了显著的磁各项异性能，打破了自旋的旋转对称性，因此量子涨落现象不明显。寻找高质量的量子自旋体系，一直是该方向亟待解决的一个科学难题。前期，该研究团队发现在纳米石墨烯中可以引入离域的pi电子磁性。该离域磁性具有SU(2) 旋转对称性，其磁交换强度和磁交换方向可以精准的调控（Nature Communications, 11, 6076 (2020)；J. Am. Chem. Soc., 142, 18532–18540 (2020); Phys. Rev. Lett. 124, 147206 (2020); Nano Lett. 20, 6859–6864 (2020); Nature Communications 13, 1705 (2022); CCS Chemistry 022, 202201895, (2022)). 在该工作中，研究人员进一步在无金属的卟啉体系中，精准构筑了一维量子自旋链。通过超高分辨的扫描隧穿微分谱技术，确定性证实了其存在末端分数激发效应，和Haldane理论预测相符合（见图2）。
图2 左：分子量子磁体化学结构，右：谱学观察到的末端分数自旋。
研究人员结合了三种不同的合成手段有效地实现分子量子磁体的构建，发展了一种高效制备低维磁性系统的新方法。如图二所示，首先在溶液中合成卟啉分子前驱体；然后利用表面化学合成，制备出不同长度的无磁性分子链；最后通过扫描探针原子操作的方法，精准可控地在其中构建出任意组合的量子自旋链（如图3a-b）。研究人员利用化学键分辨的非接触原子力显微镜成像对探针操纵过程中分子化学结构进行了追踪，直观探测到分子量子磁体从无磁性转为S=1/2自旋链，以及S=1自旋链的过程（3c-e）。利用扫描隧穿谱技术和海森堡模型计算对构建的一系列分子量子磁体进行了深入的表征和分析。研究表明：分子量子磁体中每个卟啉单元内部存在两个非局域的自旋，且它们之间存在磁交换强度为20 meV的铁磁交换作用；相邻两个卟啉单元之间的自旋存在磁交换强度约为3 meV反铁磁交换作用。实验发现S=1/2反铁磁分子自旋链具有有限的激发能隙，符合海森堡反铁磁S=1/2模型。S=1反铁磁分子自选链具有分数化的末端态，该发现与Haldane的预测相一致。
图3 分子量子磁体的合成路径，扫描隧道显微镜展示的量子磁体制备情况，非接触原子力显微镜展示的量子自旋链构造情况。
该工作聚焦在量子材料前沿领域，利用交叉学科的方法，实现结构原子级精准的样品制备与量子态调控，从而剔除缺陷、不规则界面等因素对实验结果的影响。研究人员在单个自旋精度下，对量子磁体的行为进行系统的研究，相关的实验结果可以直接和量子理论计算比较，做到了理论和实验的有机结合。另外，该方法具有很好的扩展性，有望进一步发展，实现任意低维量子磁性系统的构建，提供一个新的平台去研究量子自旋液体，解决强关联物理方向的实验难点问题。
上海交通大学物理与天文学院的博士生赵燕，李灿和化学化工学院的博士生姜恺悦为该工作的共同第一作者，王世勇和庄小东为通讯作者。本工作主要由国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金委和霍英东青年教师基金资助，与上海交大秦明普教授课题组和上海交大贾金锋院士团队合作完成。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41557-022-01061-5
来源：凝聚态物理研究所
图文编辑：胡泽心
责任编辑：叶丹、朱敏
