在信息存储研究领域，低能耗、高密度和原子尺度的量子调控是未来信息存储器件的发展方向。在这方面，表面嵌入式的分子磁体有着巨大的应用潜力，其中大的磁各向异性能（Magnetic Anisotropy Energy，MAE）近年来备受关注。大的MAE将产生一个势阱来保护体系的磁化长时间稳定在某个方向（易磁化方向），使磁化免受热扰动的破坏，进而有助于在原子尺度上实现信息的稳定存储。
获得大的MAE主要取决于三个因素：强烈的自旋轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）、特殊的晶体场和大的轨道磁矩。众所周知，在通常情况下，晶体场将减弱甚至会淬灭轨道磁矩。因此，寻找合适的配位场（例如表面和衬底）来实现大的轨道磁矩以及大的MAE，将是一个不小的挑战。最近，Rau等人通过一系列实验发现（Science 344, 988 （2014）），吸附在MgO (001)表面的单个Co原子具有巨大的MAE，达到了3d过渡金属原子的极限。
人工微结构科学与技术协同创新中心成员，复旦大学物理系吴骅教授研究组利用配位场理论，并结合密度泛函理论的计算，揭示了以上巨大MAE的物理起因。Co原子稳定吸附在MgO (001)表面上O原子的顶位，它处于一个特殊的四方对称性配位场，其电子能级分布如图1(a)所示。由于较弱的配位场效应，洪特规则使Co 3d7呈现高自旋组态。特别地，由于轨道多重态效应，Co原子并非处在配位场理论所指示的轨道单态，而是处于具有轨道简并度的能量基态，如图1(b)所示。结果，SOC发生显著作用，使得Co原子产生达到原子极限的近3 B的轨道磁矩和近90 meV/Co的巨大MAE，它们都指向表面的法线方向。这部分结果很好地解释了上面的实验。
图1：配位场能级分布、自旋组态、以及自旋轨道耦合作用
鉴于4d和5d过渡金属原子具有更强的SOC，我们旨在其中寻找具有超大MAE的材料。由于4d和5d轨道的退局域化和强配位场效应以及弱的洪特耦合能，低自旋组态的Rh和Ir原子（Co的同族元素）具有弱化的轨道简并度，如图1(c)所示，因而不是一个好的选择。与此形成强烈对比的是，Ru（4d6）和Os（5d6）原子正好处在中间自旋组态，如图1(d)所示；同时由于轨道多重态效应，它们与Co原子具有完全相同的轨道简并态。结果很自然，Ru和Os原子更强的SOC将产生超大的MAE。我们的计算发现，Ru和Os原子具有破纪录的MAE，分别为110 meV 和208 meV，如图2所示。
以上结果于2015年12月17日发表在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 115, 257201 （2015）），欧学东和王洪博为该文的共同第一作者。这些成果为发展原子自旋器件和纳米尺度信息存储器件提供了新线索。
图2：过渡金属原子在MgO (001)表面的吸附位置以及相应的磁各向异性能