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【纳米】自旋-晶格耦合打破纳米磁学尺寸-依赖限制

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2025-01-26 08:09

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磁性是一种基本的物理性质，当磁性材料的尺寸减小到纳米尺度时，磁性材料表现出独特的现象——纳米磁学，包括磁斯格明子、交换偏置效应、电子自旋输运和量子隧道等。然而，纳米磁学也面临着来自尺寸-依赖效应的挑战，因为磁性材料尺寸的减小通常伴随着其平衡态下自旋有序域范围的减少。这种减少使材料磁化减弱，导致顺磁性，其磁灵敏度和可操作性大大降低。因此，打破纳米磁学中固有的尺寸-依赖效应是未来基于磁性纳米材料的纳米器件发展的关键和挑战。近日， 浙江大学 的 王秀瑜 团队通过构建可靠而有趣的材料体系， 首次在三维独立磁性纳米颗粒中发现并利用了自旋-晶格耦合打破纳米磁学中尺寸-依赖的限制。

从电子的角度来看，尺寸依赖效应，源于电子量子限制，是磁性纳米材料的固有属性，并可扩展到其他纳米材料，如半导体量子点和等离子体金属纳米结构等。对于磁性纳米材料，这些尺寸依赖效应主要表现在临界尺寸上，包括单畴临界尺寸 D _s )、超顺磁临界尺寸 ( D _sp ) 和顺磁临界尺寸 ( D _p )。理论上， D _p 、 D _sp 和 D _s 是磁性纳米材料的本征参数。过去，大多数研究人员都专注于通过具有不同交换耦合的双磁性核/壳纳米材料来克服超顺磁极限，在超高密度记录和医疗应用方面取得了实质性进展。与超顺磁极限相比，顺磁极限被限制在更小的范围内，这使得它的突破更具有挑战性。因此，关于打破顺磁临界尺寸限制的研究仍然很少。

图1. 尺寸-依赖效应及自旋-晶格耦合策略打破顺磁极限示意图。图片来源： J. Am. Chem. Soc.

考虑到 Fe ₃ O ₄ 在结构特性、自旋构型和基本磁性方面具有完善的理论框架以及广泛的应用，浙江大学团队基于 Fe ₃ O ₄ 这一理想的材料模型，构建两种具有相同尺寸（4 nm）、表面基团（油酸）、组成（磁铁矿）以及晶体结构（反尖晶石结构）但磁性完全不同（分别为超顺磁和顺磁）的材料体系（分别命名为SPIONs和PIONs）。在SPIONs中，他们首次发现并利用了三维独立磁性纳米颗粒中的自旋-晶格耦合打破了顺磁极限。所谓的自旋-晶格耦合涉及由晶格变形引起的自旋构型和交换常数的变化。一方面，晶格变形触发 Fe ₃ O ₄ 的Jahn-Teller畸变，导致优化的自旋构型（ S 增加）。另一方面，晶格变形引起原子位移，增加了相邻的自旋相互作用的交换常数（ J ）。 S 和 J 的增加带来了自旋-晶格耦合哈密顿量的增强。因此，磁性从顺磁性转变为超顺磁性，有效打破了顺磁极限。

图2. SPIONs和PIONs的磁性能。图片来源： J. Am. Chem. Soc.

图3. SPIONs和PIONs的原子级结构表征。图片来源： J. Am. Chem. Soc.

值得注意的是，即使晶格常数的微小变化（~1%）也可以引起磁性能（ M _s 和 χ ）高达2个数量级的变化。重要的是，他们首次建立了g-位移与自旋-晶格耦合之间的直接联系，并通过g-位移的大小量化了自旋-晶格耦合的强度。当晶格常数减小时，正g-位移显著增大。更大的正g-位移意味着比传统的压磁效应更强的自旋-晶格耦合效应，从而验证了自旋-晶格耦合是打破尺寸-依赖限制的有效策略。此外，他们首次利用二维磁共振成像技术（一种传统的生物成像领域用于检测生物组织的技术）进一步可视化了磁性纳米材料的g因子。在二维材料中触发自旋-晶格耦合仍然具有挑战，并且通常受限于特定条件，例如源于二维材料和衬底之间晶格不匹配的强应变诱导，太赫兹光驱动，或超高磁场激发。三维独立磁性纳米颗粒中自旋-晶格耦合的发现和探索代表了纳米磁学的重大突破，将在信息处理、生物医学和自旋电子学领域带来革命性的进步。此外，自旋-晶格耦合效应有望扩展到固有属性受尺寸-依赖效应限制的其他纳米材料领域，为纳米材料的设计和优化提供了一条可行的途径。

图4. SPIONs和PIONs的电子自旋。图片来源： J. Am. Chem. Soc.

这一成果近期发表在 Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是浙江大学博士研究生 李蒙蒙 。

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