刘俊良/童明良团队JACS：异质镝自旋链阵列的非平凡磁弛豫动力学协同效应
自旋链作为一种典型的量子系统，在凝聚态物理学、量子自旋电子学、磁化学和合成化学等领域引起了广泛关注。将强各向异性自旋中心通过化学手段排列成具有弱耦合作用的自旋链，对推进分子自旋工程和探索新的量子行为至关重要。
弱耦合且具有长激发态寿命的量子系统在Lloyd’s量子计算机上上展现出广泛的应用前景。同时，分子基异质自旋聚集体在实现CNOT量子门方面具有很强的竞争力。作为新型一维自旋模型，强各向异性的弱耦合自旋链为后续量子信息应用与开发提供新思路和模型。相较于过渡金属，镧系金属离子具备强的自旋轨道耦合，并且4f壳层得到有效屏蔽，这有助于通过化学设计实现强各向异性和弱磁耦合作用。单分子磁体（SMMs）基元作为定义明确、高度各向异性和二能级量子系统，为“自下而上”构建出强各向异性的异质自旋链奠定了良好的基础。利用超分子相互作用或配位键的自组装是实现镧系元素单分子磁体形成弱耦合一维自旋链的有效途径。然而，由于镧系离子的配位特性，目前已报道的镧系自旋链皆为均质自旋链，设计合成强各向异性的异质自旋链（图1）是一项重大挑战。
图 1. 同质/异质镝基自旋链
分子磁体团队长期致力于高性能稀土单分子磁体以及混合稀土-过渡金属单分子磁体的结构设计、理性合成与磁构关系研究，显著提升了单分子磁体性能，包括磁滞开口温度突破液氮温区、各向异性能垒超过2000 K，揭示了核自旋驱动隧穿驰豫速率显著减慢行为与机制（系列综述：Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 2431-2453; Chem. Eur. J., 2018, 24, 7574-7594; Coord. Chem. Rev., 2019, 378, 365-381; Coord. Chem. Rev., 2019, 387, 129-153; Chem. Commun., 2020, 56, 13702-13718; Chem. Sci., 2022, 13, 8716-8726; Chem. Commun., 2023, 59, 6159-6170; Inorg. Chem. Front., 2023, 10, 3742-3755; Coord. Chem. Rev., 2023, 475, 214880; 《中国科学：化学》，2024, 54, 1413-1434）。
近期，该团队首次利用强点电荷的对苯二酚配体作为轴向连接子，实现了强各向异性五角双锥镝基单分子磁体（Dy-SMM）基元的定向组装。通过改变碱的种类，将两种不同的强各向异性Dy-SMM单元（α和β）以均质和异质组装的方式精确地排列成三例的镝基自旋链（图2）。
图2. 同质/异质镝基自旋链的合成与结构
两种均质镝链表现出截然不同的磁动力学行为（图3），其中SC-β展示出超过1100 K的高各向异性势垒和至少8 K下的磁滞效应，创造了镧系配位聚合物中新记录。对于两种不同基元交替排列的SC-αβ异质镝自旋链，交流磁化率测试呈现出前所未有的磁动力学协同作用，低温下观察到两种磁化量子隧穿的切换。进一步利用异质基元磁记忆效应的差异，可通过磁化路径在粉末以及取向样品中实现自旋取向的平行或反平行排列，并在弛豫寿命上观察到显著变化。上述结果表明该系统对内部偶极场非常敏感，可用于设计非接触式自旋监测设备以检测局部磁场。不同于经典的单链磁体以及均质的镝自旋链，强各向异性的弱耦合异质镝自旋链为一维量子系统提供了一种新的模型，为复杂信息存储、加密和量子计算的应用场景带来了新的希望。
图3 a) 均质/异质镝基自旋链的结构示意图；b) 交流磁性测试中的磁动力学协同行为；c) 协同行为的内在机制示意图；d) 磁化路径操控的自旋极化差异。
这一成果发表在Journal of the American Chemical Society上。含羞草 为该成果的第一完成单位，含羞草 “逸仙博士后”邓威为论文第一作者，刘俊良教授和童明良教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重点和卓越研究群体（原基础科学中心）等项目的支持。
