在受限单分子层中实现室温长程铁磁有序

我们如何操纵分子间交换相互作用来实现长程自旋有序?这个问题的答案对于理解和调节微观尺度的磁行为以及开发新的宏观磁性材料和器件非常重要。

然而，温度和环境对分子磁行为和自旋排序起着决定性作用。在高温下，热升力会破坏自旋有序并阻碍分子间交换相互作用。

根据Mermin-Wagner理论预测，二维系统中不存在长程自发磁有序。因此，实现二维室温铁磁分子材料仍然是该领域的一个挑战。如果解决的话，这不仅对于从根本上理解磁性的本质至关重要，而且对于开辟新的磁性材料平台的新途径也至关重要。

针对这一问题，中国科学技术大学精密与智能化学重点实验室吴长征教授课题组构建了室温长程铁磁有序结构，并制备了单层铁磁材料。蜂窝状二茂钴 (Co(Cp) 2 )，Co(C 5 H 5 ) 2的简化形式，位于有限的范德华层间空间中。

研究人员基于有机-无机(Co(Cp) 2 /SnS 2 )超晶格界面处的动态电荷转移，开发了Co(Cp) 2分子与S原子之间的电子振动超交换相互作用，并实现了有机物与S原子之间的长程铁磁有序。分子，由此他们在弱场中获得了高转变温度(> 400 K)和大饱和磁化强度(4 emu.g -1 )的二维铁磁分子层。

研究人员还通过扫描探针显微镜结合扫描隧道显微镜和原子力显微镜，成功地表征了限制在 SnS 2层之间的单个 Co(Cp) 2分子的取向以及蜂窝状单层分子的结构组装。

相邻Co(Cp) 2分子的电子云相互合并形成离域电子，从而促进Co(Cp) 2分子之间的自旋交换相互作用。

研究成果发表在《自然·物理学》杂志上。

这项工作通过调节分子自旋顺序实现了磁性固体的新结构，有望为电子、信息存储和量子计算等应用提供更好的解决方案。