【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】7月7日，《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)在線刊發(fā)了物理學院付英雙教授領導的低維物理與量子材料團隊的最新研究成果，文章題為“Pb(111)上雙層酞菁分子磁體的自穩(wěn)定電荷態(tài)”(Self-stabilized charge states in a double-decker molecular magnet on Pb(111)。物理學院博士生廖心(已畢業(yè))和博士生孫瑞靜為共同第一作者，付英雙教授為論文的通訊作者，華中科技大學為唯一單位。物理學院博士生楊連志、謝韜，團隊成員張文號副教授和劉超飛副教授，日本大阪大學Emi Minamitani教授合作參與了相關工作，TbPc2分子由德國卡爾斯魯厄理工學院Mario Ruben教授團隊提供。
在分子電子學領域，控制單個分子的電荷態(tài)是調控其物理化學性質的核心手段。此前，分子的電荷態(tài)通常依賴基底的支撐：絕緣基底通過晶格極化穩(wěn)定電荷，金屬基底則通過電荷轉移和界面化學勢差維持電荷態(tài)。這些方式高度依賴分子與基底的特定組合，缺乏普適性。TbPc?分子成為解決這一問題的突破口。這種分子由一個鋱離子(Tb³?)夾在兩個酞菁(Pc)配體之間，配體間呈45°堆疊。這種結構賦予分子兩大優(yōu)勢：下層配體削弱了與基底的強耦合，保留了分子軌道特性；同時，分子內部具有靈活的結構畸變自由度，為電荷自穩(wěn)定提供了可能。
研究團隊利用掃描隧道顯微鏡(STM)觀察到，吸附在Pb (111)表面的TbPc?分子自組裝成方形晶格。其中，大多數(shù)分子呈現(xiàn)8葉瓣狀的四重對稱性(C4-TbPc?)，與已知的[TbPc?]?陰離子態(tài)一致；但約1.5%的分子表現(xiàn)出明顯的二重對稱性(C2-TbPc?)——兩對葉瓣亮度顯著高于另外兩對。進一步的掃描隧道譜(STS)分析揭示了更有趣的現(xiàn)象：這些二重對稱分子分為A、B兩種類型。A型分子在費米能級附近出現(xiàn)尖銳的近藤共振峰，表明其配體具有未配對電子自旋；B型分子則無此特征，說明分子自旋態(tài)消失。
通過密度泛函理論(DFT)計算，團隊解開了二重對稱的成因：電荷誘導的Jahn-Teller畸變。對于C4-TbPc?([TbPc?]?)，其最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)是簡并的(能量相同的兩個軌道)。當分子捕獲額外電子成為[TbPc?]²?(A型)時，簡并LUMO因Jahn-Teller效應分裂為兩個能量不同的軌道(FLUMO-1和FLUMO-2)，分子結構畸變?yōu)槎貙ΨQ，以穩(wěn)定多余電子。此時FLUMO-1軌道單電子占據(jù)，產生自旋，形成近藤共振。若再捕獲一個電子成為[TbPc?]³?(B型)，F(xiàn)LUMO-1和-2軌道雙電子占據(jù)，自旋配對，近藤共振消失，但二重對稱性被保留。
這種畸變完全由分子內部結構調整實現(xiàn)，無需基底參與。實驗中，團隊通過STM針尖將C2-TbPc?分子移出分子膜，發(fā)現(xiàn)其二重對稱性和自旋態(tài)仍能保持，進一步證實了電荷態(tài)的自穩(wěn)定性。
研究的另一關鍵發(fā)現(xiàn)是電荷態(tài)的可調控性。通過施加高電壓(約1.8 V)，團隊實現(xiàn)了C2-TbPc?向C4-TbPc?的不可逆轉變——強電場打破Jahn-Teller畸變，釋放多余電子。此外，還能實現(xiàn)B型向A型的轉變，為電荷態(tài)精準調控奠定基礎。這一機制可推廣到其他具有內部結構自由度的分子，推動其在自旋電子學和量子技術中的應用。
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