近日，中國人民大學物理學系季威教授、王聰博士與南京大學宋鳳麒教授、廈門大學謝素原教授、倫斯勒理工學院史夙飛教授、耶魯大學Mark A. Reed教授等研究團隊合作，通過理論計算和實驗測量發現了世界上首個單分子駐極體（electret）——Gd@C82，在駐極體被人類合成100年後將其物理尺寸壓縮到極致的單分子水平（~1 nm，十億分之一米），這是目前人類所知最小的駐極體。該分子中的Gd（釓，一種稀土元素）原子可以被人為控制地在兩個不同位置間移動而用於信息編碼，為未來存儲器小型化提供了一種新方案，也展現出作為一個新興研究方向的巨大潛力。相關研究工作以A Gd@C82 single-molecule electret」（一個碳82籠中釓原子的單分子駐極體）為題發表在10月12日出版的《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）上。
磁性是在日常生活中常見的現象，早在5000年前人們就認識了磁現象。天然鐵礦石大抵是人類最早發現的永磁體，《鬼谷子·謀篇第十》就記載了2000多年的戰國時期利用天然永磁體製作司南的例子。在不對其進行任何操作的情況下，永磁體（permanent magnet）磁矩方向可以長期保持不變。硬碟磁片就是一種永磁體，記錄信息則是在其微、納米級的磁疇上對磁矩進行操作實現的。而在不進行寫操作時，它的每個磁疇的磁矩方向不會發生變化，保證了其保存資料的可靠性。磁碟的信息存儲密度已經從最初的2000 比特每平方英寸提到到了13億比特每平方英寸以上。隨著信息存儲需求的暴漲，人們為提高信息存儲密度、縮小磁疇尺寸提出了需求，而單分子磁體（single-molecule magnet）把磁性信號記錄單元的尺寸縮小到極致的單個分子層次，也就是磁疇小型化的終極方案。
第一個分子磁體是在上世紀80年代被合成的Mn-12絡合物，通常認為直到1993年Novak等人才首次證實該絡合物是一種特徵溫度不高於4 K （約-269℃）且可以用於信息存儲的單分子磁體 [Nature 365, 141-143 (1993)]。2018年Layfield等人則首次將單分子磁體的特徵溫度提高到80K（約-193℃），達到了液氮溫度（78K）以上(Science2018,DOI: 10.1126/science.aav0652)。
駐極體（electret）是一類可以與永磁體相類比的材料，可以看作是靜電版的永磁體，也可以用於信息存儲，還用在靜電耳機和麥克風等多個方面。駐極體擁有不加外場時可以長期保持的電極化特性，其極化形式與永磁體中的電子自旋極化導致的磁性不同。駐極體特徵早在1732年就被Gray發現了，1839年Faraday（法拉第）從理論上總結了這一特徵，而在1892年Heaviside首次將electric和magnet兩詞組合成了electr-et（electret），明確提出了駐極體的概念。1919年日本物理學家Eguchi首次合成了駐極體材料，引領了駐極體的研究熱潮。
儘管駐極體材料已經研究了100餘年，且單分子水平的單分子磁體也研究了近30年，單分子駐極體的研究卻顯得嚴重滯後了。2018年Nishihara等人首次在K12[Tb3+@P5W30O110]([Tb3+@P5W30])單分子駐極體的粉末樣品中觀察到了電極化回滯現象
（Angew. Chem. Int. Ed., 57, 13429-13432）。
然而，這一回滯現象是眾多分子相互耦合的結果還是單個分子自身的表現，一時莫衷一是。2020年，物理學系及合作團隊則首次在Gd@C82單分子器件中發現了單分子駐極體特徵，並展示了其信息存儲能力，將駐極體的尺寸極限縮小到了1 nm尺度。
具體地，他們在1.6 K（約-271.6 ℃）的低溫下，利用電致遷移納米間隙法，在一條約50 nm寬的金屬導線上製造出了一道1 nm左右的間隙，並成功構造了幾個Gd@C82單分子器件（如圖1a所示），隨後固定一個非常接近於零（2 mV）的源-漏電壓值，通過改變柵極電壓Vg，記錄不同柵極電壓值時的源流電流Ids，便會得到兩套譜線，對應兩種器件狀態（state 1和state 2）。如圖1b所示，這兩種狀態可以通過改變柵壓相互切換，在同一個單分子器件中，表現出了兩套截然不同的輸運特性。
這兩種狀態大概率對應兩種分子構型，但這種構型變化卻很難通過觀測手段直接顯示出來，第一性原理計算便體現出其特有的優勢。計算發現，Gd@C82分子中Gd原子處在C82籠上的兩個相鄰的最穩定吸附位點上，其能量相差 ~ 6 meV（如圖2a）。可以看到，Gd@C82分子的正負電荷中心並不重合，即分子存在電偶極矩。Gd原子在兩個穩定吸附位點間移動，可改變分子的電偶極矩方向，從而可以利用外加電場調控兩個吸附位點的相對穩定性。計算表明只要克服~11 meV的轉換勢壘，即可實現電場控制下Gd原子在兩個位點間移動（如圖2）。這本質上就等於實現了在單個分子水平上電偶極矩的可控翻轉，即該器件是一種以單分子駐極體(Gd@C82)方式運轉的單原子(Gd)信息存儲器。
該工作是首次在單分子水平上證明了單分子駐極體的存在，並實現了存儲操作，也是當前所知最小的駐極體。該單分子電偶極矩的可控翻轉，實際是內嵌原子的位置移動，即該器件是一種以單分子電偶極矩翻轉模式運行的單原子存儲器。正如下圖所示的那樣，兩個不同的原子位置可以用來編碼信息，為未來存儲器件小型化提供一種方案，展現出作為一個新興研究方向的潛力。
該研究成果於10月12日以「A Gd@C82 single-molecule electret」為題發表在《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）上，物理學系博士後王聰博士（2019年吳玉章獎學金獲得者）和南京大學博士生張康康、白佔斌及張敏昊博士為論文的共同第一作者。物理學系季威教授和南京大學宋鳳麒教授、廈門大學謝素原教授、倫斯勒理工學院史夙飛教授、耶魯大學Mark A. Reed教授為論文的共同通訊作者。該工作的理論計算部分由人民大學完成，實驗部分由合作單位完成。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院戰略重點研究項目、中央高校基本科研業務費等項目的資助。
中國人民大學物理學系季威課題組
《自然·納米技術》是《自然》期刊在納米科技領域的子刊，也是該領域的旗艦期刊，年發文量僅約300篇，2019年影響因子31.5。這是物理學系2018年在該刊發文後，人民大學首次作為（共同）第一作者和（共同）通訊作者單位在該刊上發文。
來源：中國人民大學 中國人民大學黨委宣傳部新媒體中心 理學院 設計：顧小白