金屬-有機骨架（Metal-Organic Framework，MOF）是指金屬離子與有機官能團相互鏈接，共同構(gòu)筑的長程有序晶態(tài)結(jié)構(gòu)。MOF材料因在清潔能源、催化、吸附、環(huán)保等方面具有重要的應(yīng)用前景而受到廣泛關(guān)注。近幾年，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）磁學(xué)國家重點實驗室研究員孫陽領(lǐng)導(dǎo)的M06組開展了MOF材料的磁電性質(zhì)研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果，例如，首次發(fā)現(xiàn)了MOF中磁化強度共振量子隧穿效應(yīng)【Phys. Rev. Lett. 112, 017202 (2014)】；率先報道了MOF中在順磁態(tài)和多鐵態(tài)的磁電耦合效應(yīng)【Sci. Rep.3, 2024 (2013); Sci. Rep. 4, 6062 (2014)】；實現(xiàn)了MOF中接近室溫的磁電耦合效應(yīng)【Phys. Status Solidi RRL 9, 62 (2015)】等。近期，孫陽研究組在MOF領(lǐng)域的研究取得了新進展，發(fā)現(xiàn)了一種全新的物理效應(yīng)——共振量子磁電耦合效應(yīng)。

　　1996年，美國和意大利科學(xué)家分別在一些單分子磁體（如Mn12）中觀察到磁化強度共振量子隧穿效應(yīng)，表現(xiàn)為宏觀磁化強度隨外加磁場出現(xiàn)規(guī)則的臺階跳變。利用單分子磁體的磁化強度共振量子隧穿，有望構(gòu)建固態(tài)量子比特，用于量子信息與量子計算。但是，磁化強度共振量子隧穿的實驗測量往往要用到一些精細復(fù)雜的實驗設(shè)備，如超導(dǎo)量子干涉儀或者基于同步輻射光源的光譜技術(shù)。2014年，孫陽和研究生田英等發(fā)現(xiàn)一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的MOF材料[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3具有自發(fā)的磁性相分離，即同時存在反鐵磁有序相和孤立的單離子磁體，并在低溫下表現(xiàn)出磁化強度共振量子隧穿行為【PRL 112, 017202 (2014)】。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，該Fe-MOF是一個多鐵性材料，同時具有鐵電有序和磁有序，并在磁有序溫度（~ 19 K）以下表現(xiàn)出明顯的磁電耦合效應(yīng)。因此，該Fe-MOF成為一個獨特的多鐵性體系，同時具有磁化強度共振量子隧穿和磁電耦合效應(yīng)，兩者的結(jié)合可能會導(dǎo)致全新的物理效應(yīng)。

　　在孫陽指導(dǎo)下，研究生田英、申世鵬、叢君狀等利用自主研制的多功能磁電耦合效應(yīng)測量系統(tǒng)，精確測量了該Fe-MOF在2 K下的磁電耦合效應(yīng)。實驗結(jié)果顯示，在發(fā)生磁化強度共振量子隧穿時，磁介電行為出現(xiàn)了異常的尖峰，表明磁性的共振量子隧穿可以通過磁電耦合在電學(xué)性質(zhì)上體現(xiàn)出來。孫陽將這一物理效應(yīng)命名為共振量子磁電耦合效應(yīng) (resonant quantum magnetoelectric effect)，并基于角動量守恒原理對其微觀物理機制做了定性的解釋。這一發(fā)現(xiàn)首次將磁化強度共振量子隧穿與磁電耦合效應(yīng)結(jié)合起來，利用該共振效應(yīng)，只需簡單地測量磁場下的介電行為，就可以探測磁化強度共振量子隧穿，為未來磁化強度共振量子隧穿的實際應(yīng)用奠定了物理基礎(chǔ)。

　　上述研究成果發(fā)表在Journal of the American Chemical Society 138, 782-785 (2016)。

　　該工作得到了國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院項目的資助。

圖1 金屬-有機骨架[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3的晶體結(jié)構(gòu)。

圖2. 金屬-有機骨架[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3的磁化強度共振量子隧穿和磁介電行為。

圖3. 金屬-有機骨架[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3的共振量子磁電耦合效應(yīng)。