近日，南京大学物理学院、原子制造研究院张敏昊副研究员、宋凤麒教授课题组与华中科技大学卢兴教授课题组以及西安交通大学杨涛教授课题组等合作，基于Dy@C84团簇单分子晶体管电输运平台，结合理论计算分析，系统研究了单原子磁性的电调控。
单原子存储是一个早年的梦想。1959年，费曼预见了通过操控单个原子/分子来改变物质实现功能。单原子磁性切换是实现计算机数据存储密度进一步提升的关键，其在扫描隧道显微镜下利用磁性原子的自旋双稳性在原理上得以实现。然而，量子磁隧穿效应的存在以及原子级尺度下的弱自旋-轨道作用，将它应用于固态晶体管，尤其通过电场操纵单原子磁性在物理机制和技术实践上拥有双重的挑战性。
该工作在Dy@C84团簇单分子晶体管中观测到显著的电控塞曼效应。通过电场切换分子态，并测量不同分子态在磁场下的响应，发现在电场强度为3−10 MV/cm时，基态GN的磁矩由3.8µB（分子态1）变为5.1µB（分子态2），同时共振隧穿点的磁电阻从600%提升到1100%。图1描绘了分子态的电切换和单原子磁性调控的示意图。
图1. 单原子磁性的电控示意图
通过DFT计算进一步验证了电控单原子磁性切换的物理机制（图2）。受电场调控，Dy可以在空间中的两个可能位置中的任何一个，这不仅影响了电偶极子的方向和大小（从0.70 eÅ转变为0.64 eÅ），也影响了Dy周围的配位，使得磁矩有所不同（从4.16 µB转变为4.55 µB），从而实现单原子磁性的电调控。
图2. DFT计算电控磁可行性
综上，该成果在前期Gd@C82单分子驻极体物理研究【Nat. Nanotechnol. 15, 1019-1024 (2020)】的基础上，进一步通过Dy@C84团簇设计，降低了碳笼对电场的屏蔽效应，以及镧系原子4f电子的局域性，使得电场可以对内嵌磁性原子进行有效访问与调控。单原子磁存储效应的稳定性来自于92 meV能垒引起的原子位置弛豫，为实现单原子磁存储原型晶体管提供了一种潜在的设计思路。
相关成果以“Electrically controlled nonvolatile switching of single-atom magnetism in a Dy@C84 single-molecule transistor”为题发表在Nature Communications。南京大学张敏昊副研究员、华中科技大学卢兴教授、西安交通大学杨涛教授以及南京大学宋凤麒教授为共同通讯作者，南京大学王枫博士生、华中科技大学沈王强博士（现合肥工业大学副研究员）以及西安交通大学水源博士生为论文的共同第一作者。南京大学万建国、王学锋、王锐、秦宇远、陈俊、南京师范大学王怀强等为工作提供了帮助。该研究还得到了国家自然科学基金委和科技部国家重点研发计划等的联合资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46854-z
【文章来源：南大新闻】