分子磁学--一个新兴的前沿研究领域

分子磁学是一个新兴的前尚交叉学科。文章简要介绍了该学科的主要研究内容,并对近年来发展最快的几个研究热点,即分子内磁耦合作用与分子磁工程、分子基铁磁体、单分子磁体、自旋转换配合物和生物体系内磁耦合作用,作一简要评述和展望。     

分子磁体与环境的纠缠和退相干

本文研究了双轴分子磁体在耗散环境中的相干量子隧穿,作为环境的声子库抑制了相干量子隧穿,从而引起分子磁体中薛定谔猫态的退相干. 而环境内部声子之间的相互作用会导致分子磁体与热库之间退耦合,于是对退相干有一定的抑制作用. 在绝热近似和非绝热近似下,借助于约化密度矩阵计算了超Ohmo耗散中分子磁体与环境之间的纠缠度,当纠缠达到最大时,相干隧穿被完全抑制.     

单分子磁体

单分子磁体指的是那些在阻塞温度以下出现磁化强度慢弛豫的分子。自从1993 年报道了 第一例单分子磁体[Mn12O12(O2CCH3)16(H2O)4] ￠ 4H2O ￠ 2CH3CO2H (Mn12) 以来,人们在探索 新颖的单分子磁体及其在信息存储、自旋电子学和量子计算等方面的潜在应用方面付出了极大的努 力,已经合成得到许多具有单分子磁体性质的单核和多核金属簇合物。本文将重点介绍基于氧桥联 的锰或铁簇合物、单核过渡金属化合物以及稀土配合物的单分子磁体。     

分子磁体中的量子隧穿及宏观量子效应

文章介绍了分子磁体中的量子隧穿和宏观量子效应理论和实验研究的新进展．分子磁体既有宏观磁体特性也呈现纯量子行为，例如磁化矢量的量子隧穿．文章作者解释了如何通过量子隧穿实现宏观量子相干(即薛定谔猫态的相干叠加)和量子态位相干涉．对隧穿率计算的瞬子方法，特别是有限温度隧穿理论及其在分子磁体量子隧穿中的应用也做了简要的阐述．     

六配位FeN6自旋翻转化合物的自旋输运特性

本文采用第一性原理计算和非平衡格林函数方法,研究了六配位FeN₆的自旋输运特性. 理论计算结果表明在外场(如光辐射)作用下通过改变配体与磁芯间键长来实现磁体的高低自旋之间的转换. 基于计算得到的透射谱和伏安曲线,发现通过高自旋态分子结的电流显著大于低自旋态磁体,且通过高自旋态分子结的输运特性由自旋向下的电子提供主要贡献. 理论预测出来的分子开关和自旋过滤效应表明此类铁基六配体自旋翻转化合物可用于分子自旋电子学器件设计.     

单分子磁体中交换常数计算的新方法

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,在现有的单分子磁体交换耦合常数计算方法的基础上提出了一种新的计算方法.采用新方法计算两个原子之间的交换耦合常数时,首先分别设置这两个原子的自旋取向,然后再同时设置两个原子的自旋取向,计算出总能即可,而不用选取不同的自旋组态并求解线性方程组.方法特别适合含有数目很大的磁性原子的单分子磁体交换耦合常数的计算.采用新方法计算了Fe7和Fe20配合物分子的交换耦合常数.结果表明,Fe7和Fe20分子中的交换常数都为负,即反铁磁耦合时能量更低,这与类似分子的相关研究相一致.     

单分子磁体中交换常数计算的新方法

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,在现有的单分子磁体交换耦合常数计算方法的基础上提出了一种新的计算方法.采用新方法计算两个原子之间的交换耦合常数时,首先分别设置这两个原子的自旋取向,然后再同时设置两个原子的自旋取向,计算出总能即可,而不用选取不同的自旋组态并求解线性方程组.方法特别适合含有数目很大的磁性原子的单分子磁体交换耦合常数的计算.采用新方法计算了Fe7和Fe20配合物分子的交换耦合常数.结果表明,Fe7和Fe20分子中的交换常数都为负,即反铁磁耦合时能量更低,这与类似分子的相关研究相一致.     

{Cu3}单分子磁体在磁场中的热纠缠

本文研究单分子磁体Na₉[Cu₃Na₃(H₂O)₉ (α-AsW₉O₃₃)₂]·26H₂O中三角自旋 环在磁场作用下的热纠缠性质, 利用数值计算求出任意两个Cu²⁺离子量子比特之间的配对纠缠度, 分别记为C₁₂, C₂₃和C₁₃. 研究结果表明, 磁场的方向和大小以及温度对配对纠缠度具有重要影响, 而且参数的变化对C₁₂, C₂₃和C₁₃的影响也是各不相同. 给出外加三个不同方向的磁场时, 配对纠缠度C₁₂, C₂₃和C₁₃各自对应的临界温度T_c随磁场强度的变化图, 由此可以得到单分子磁体三角自旋环中存在纠缠态的参数范围. 通过选择适当的磁场方向和大小以及温度等实验参数, 可以有效地调节和提高单分子磁体中的配对纠缠度. 关键词： 配对纠缠 单分子磁体 三角自旋环     

Fe(Ⅱ)-N_4S_2自旋翻转单分子磁体的电子输运性质（英文）

由于其具有高自旋和低自旋磁性双稳态特性,单分子磁体是构建分子自旋电子器件最有潜力的候选体系.基于第一性原理计算和非平衡格林函数方法,我们研究了Fe(Ⅱ)-N_4S_2自旋翻转单分子磁体在两个金电极之间的电子结构和输运特性.优化的几何结构参数和计算出来的磁性与实验结果吻合,基于翻转能垒,发现该磁体在可见光范围可实现高低自旋之间的翻转.当磁体处于高自旋态时,其电流在小偏压条件下主要由自旋向下的电子贡献,表现出显著的自旋过滤效应.这些理论研究结果表明此类单分子磁体可用设计分子自旋电子学器件.     

有机强磁性研究

在对有机强磁性体的概仿、源及其所特有的物理和作简要介绍的基础上，阐述了有机材料的强磁性研究的重要意义以及有机强磁体作为新材料可能具有的应用前景，评述了国内外目前有机强磁性的理论和实验研究现状，讨论了有机强磁体的获取途径和分子设计方法，关着重讨论了纯有机强磁性体的模型设计和结构分析等方面的工作。     

有机强磁性研究进展

在对有机强磁性体的概念、来源及其所特有的物理和化学特性作简要介绍的基础上，阐述了有机材料的强磁性研究的重要意义以及有机强磁体作为新材料可能具有的应用前景，评述了国内外目前有机强磁性的理论和实验研究现状，讨论了有机强磁体的获取途径和分子设计方法，并着重讨论了纯有机强磁性体的模型设计和结构分析等方面的工作．     

六配位FeN_6自旋翻转化合物的自旋输运特性（英文）

本文采用第一性原理计算和非平衡格林函数方法,研究了六配位FeN_6的自旋输运特性.理论计算结果表明在外场(如光辐射)作用下通过改变配体与磁芯间键长来实现磁体的高低自旋之间的转换.基于计算得到的透射谱和伏安曲线,发现通过高自旋态分子结的电流显著大于低自旋态磁体,且通过高自旋态分子结的输运特性由自旋向下的电子提供主要贡献.理论预测出来的分子开关和自旋过滤效应表明此类铁基六配体自旋翻转化合物可用于分子自旋电子学器件设计.     

不均匀不稳定磁场下高分辨液体核磁共振新技术的研究进展

高分辨核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance,NMR）谱的获得通常需要高度稳定且均匀的强静磁场. 阻抗磁体或阻抗－超导混合磁体可获得比超导磁体高得多的磁场, 但它们的磁场的稳定性与均匀性比较差;另一方面, 在活体定域波谱研究中,样品内部组分的磁化率差异,运动或生理活动等作用将不可避免地导致磁场的不均匀不稳定,并且这些不稳定不均匀性无法通过锁场匀场等传统的方法消除. 基于分子间零量子相干的方法、空间编码单扫描快速方法、反卷积技术等日渐成为在不均匀不稳定磁场下获取高分辨率的NMR谱的研究热点.     

分子基磁体Cr[N(CN)2]2电子结构和半金属性的第一性原理研究

基于第一性原理方法结合广义梯度近似,研究了分子基磁体Cr[N(CN)₂]₂的电子结构和半金属性. 对总能量,自旋极化的能带结构,态密度以及自旋磁矩的计算表明该分子磁体为半金属铁磁体．每个分子的总磁矩为2.00μB,其中Cr²⁺对分子磁矩的贡献较大,而配位体上的碳原子和氮原子的贡献相对较小．讨论了当晶格常数发生小幅变化时材料半金属性的变化.     

1,8-二巯基芘分子电学特性的理论研究

在第一性原理的基础上 ,对 1,8 二巯基芘分子的电学特性进行了理论研究 .采用了 3个Au原子构成的团簇来模拟Au表面 .首先利用密度泛函理论计算了 1,8 二巯基芘分子的电子结构及其和Au表面的相互作用 ,再利用前线轨道理论和微扰理论定量地确定了该分子和Au表面的相互作用能常数 .最后利用弹性散射格林函数法研究了该分子结的伏 安特性 .计算结果表明 ,分子中的硫原子和Au原子形成很强的共价键 .当外加偏压小于 1V时分子结存在电流禁区 ,随着偏压升高 ,分子结的电导出现平台结构 .分子结的电导特性和其电子结构密切相关 ,扩展分子轨道为电荷的迁移提供了通道 ,而局域轨道对电流贡献很小     

分子和金表面相互作用的第一性原理研究

硫氢官能团可以很强地吸附于金表面上,从而可作为连接体用于纳米电子学中的分子器件.从第一性原理出发利用密度泛函理论研究了4,4′二巯基联苯分子和金表面的相互作用,并利用了前线轨道理论和微扰理论定量地确定了该相互作用能常数.计算结果表明,当含有硫氢官能团的有机分子化学吸附于金表面时,硫原子将与金原子形成以共价键为主的混和键,此时一些分子轨道扩展于金原子和有机分子中,这些轨道为分子结中电子的输运提供了通道,从而可使分子线的电导呈现出欧姆特性.而其他分子轨道具有局域性,此时电子的输运只能通过隧道效应来实现. 关键词： 化学吸附 分子线 分子电子学     

基于分子内电荷转移的多枝状荧光探针光学性质与响应机理分析

本文采用含时密度泛函理论研究了用于检测生物硫醇的荧光探针分子的光学性质.通过计算探针分子Mol.1、Mol.2和Mol.3与半胱氨酸和同型半胱氨酸反应前后的单光子吸收和发射性质,研究了碳碳三键和苯环结构对荧光探针性质的影响.随着给电子体三苯胺结构的逐渐完善和碳碳三键的加入,探针分子的振子强度逐渐增大,展现出了更好的荧光探针性质.同时,研究了不同侧枝数目对探针分子性质的影响,结果表明,相较于单枝分子Z1和三枝分子Mol.3,两个侧枝的探针分子Z2振子强度更大,检测效果更佳.增加了碳碳三键和苯环后的单枝新型探针分子Mol.4,相较于具有三枝结构的探针分子Mol.3,具有良好的探针性质,且结构更为简单.     

分子线电子输运特性的第一性原理研究

从第一性原理出发 ,利用密度泛函理论研究了SH -C8H16-SH分子和金表面的相互作用 ,并利用分子前线轨道理论和微扰理论定量地确定了该相互作用能常数 ,然后 ,利用弹性散射格林函数方法研究了该分子与金表面形成的分子线的伏 安特性 .研究结果表明 ,当含有硫氢官能团的有机分子化学吸附于金表面时 ,硫原子将与金原子形成以共价键为主的混和键 ,此时 ,扩展的分子轨道使分子线的电导呈现出欧姆特性 ,而对于局域的分子轨道 ,电子的输运只能通过隧道效应来实现 .对分子线伏 安特性的计算结果显示 ,在零偏压附近 ,存在一个电流禁区 ,随着偏压的增加 ,分子线的电导呈现出平台特征 .     

M(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)(M=Cu、Co)氰根桥联配合物的穆谱研究

利用穆斯堡尔谱分析合成分子磁体Co[Fe(CN)5NO]·5H2O与[Cu(en)2][KFe(CN)6]·H2O,通过分析超精细相互作用常数来研究其微观结构,研究铁在配合物中价态、价电子排布及同质异能移、四极分裂等超精细相互作用。     

分子构型对分子器件伏-安特性的影响

本文以4,4'-二巯基联苯分子为研究对象,利用从头计算方法和弹性散射格林函数理论,研究了苯环之间的不同位置取向对分子的电子结构以及该分子结的伏安特性的影响.计算结果表明苯环扭转角不同会改变分子的电子结构,扭转角的增大会导致分子轨道的扩展性变差,从而使体系的导电性能降低.