稀土離子的4f電子云是什麼形狀?

2020-12-13 北京大學新聞網

2019/12/23 信息來源： 化學與分子工程學院

編輯：白楊 | 責編：麥洛

單分子磁體是一類具有強易軸各向異性的分子納米磁體，可以在特定溫度以下表現出磁滯等類似磁體的行為，是一種超順磁態。分子中僅含有一個金屬離子的單分子磁體通常被稱為單離子磁體，近20年來，人們通常可以使用各向異性很強的稀土離子來構築單離子磁體。稀土離子配合物往往具有較低的對稱性，因此很難從幾何結構上確定稀土離子的磁各向異性軸和4f電子云的結構。

北京大學化學與分子工程學院高松教授、王炳武副教授和蔣尚達副研究員等近些年設計合成了大量稀土單離子磁體，並發展了多種方法研究稀土離子的磁軸取向。2010年該課題組報導了基於雙酮配體的稀土鏑單離子磁體（Angew. Chem., Int. Ed., 2010, 49, 7448）。經過系統研究，蔣尚達發現在某些特殊對稱性下，晶體和分子的磁各向異性軸嚴格重合，通過單晶轉動實驗確定晶體的磁化率張量，進而求得晶體和分子的各向異性軸（Jiang SD., Wang BW., Gao S. (2014) Advances in Lanthanide Single-Ion Magnets. In: Gao S. (eds) Molecular Nanomagnets and Related Phenomena. Structure and Bonding, vol 164. Springer, Berlin, Heidelberg）。2015年，蔣尚達和高鬆通過該方法首次確定了雙酮類稀土單離子磁體的磁易軸取向，結果顯示實驗結果與量子化學從頭算以及晶體場分析的結果非常接近，該工作發表在英國皇家化學會的旗艦雜誌《化學科學》上（Chem. Sci., 2015, 6, 4587）。

通過單晶磁化率方法測定的磁軸方向（Chem. Sci., 2015, 6, 4587）

但是這種單晶磁化率測試的手段具有明顯的局限性，只適用於極個別的對稱性情況，對於分子與晶體的各向異性軸不重合的情況下，無法嚴格確定分子磁軸取向（Chem.-Eur. J., 2013,19, 13726）。為解決此問題，蔣尚達與丹麥Aarhus大學的Jacob Overgaard博士等合作，採用極化中子衍射（Polarized Neutron Diffraction）的方法，解決了任意空間群中低對稱性磁性離子的磁軸取向測定問題，該工作以封面文章的形式發表在《歐洲化學》雜誌上，並被選為VIP文章（Chem.-Eur. J., 2018, 24, 16576）。

通過極化中子散射方法測定的磁軸方向（Chem.-Eur. J., 2018, 24, 16576）

人們普遍認為稀土離子的強各向異性主要來自其未被淬滅的一階軌道角動量，通過旋軌耦合作用使得金屬離子的基態電子云結構表現出各向異性，但這種電子云的各向異性究竟是什麼形狀，其取向與磁各向異性方向有何關聯，人們仍不清楚。為此蔣尚達與Overgaard和澳大利亞墨爾本大學理論化學家Alessandro Soncini教授等合作，在日本Spring-8同步輻射線站上以0.35埃的解析度精細測定了基於雙酮配體的稀土鏑單離子磁體的4f電子云結構。該工作具有很高的實驗難度，因為在Dy3+離子所有的63個電子中，僅有4f軌道上的9個電子表現為非球形並且被外部滿殼層的4d和4s電子云所屏蔽，而其餘的54個電子均表現為球形結構，相當於在陽光充沛的白天觀測星空。實驗結果顯示在這類雙酮單離子磁體中，Dy3+離子的電子云呈現壓扁（oblate）的形狀，與理論物理學家的預期一致，並且通過電子云的形狀亦可模擬出基態波函數的組成，基於該研究我們可以得出結論：4f電子云的各向異性形狀由於其波函數的混合併不具有嚴格的單軸對稱性，但Dy3+離子在強單軸各向異性時壓扁型結構可以近似為橢球型，該橢球的對稱軸與稀土離子的磁軸較為接近。該工作最近發表在《自然-化學》雜誌上（https://doi.org/10.1038/s41557-019-0387-6），第一作者為高琛博士，他在高松課題組獲得博士學位後前往Aarhus大學與Overgaard合作進行博士後研究，通訊作者為蔣尚達、Alessandro Soncini和Jacob Overgaard。

通過高分辨X射線衍射方法測定4f電子云結構

以上工作得到了國家自然科學基金委青年科學基金、優秀青年科學基金、創新群體項目以及科技部國家重點研發計劃的支持。

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