信息技術(shù)的成功發(fā)展離不開(kāi)電子學(xué)器件的小型化。對(duì)器件小型化的追求促使了人們對(duì)單分子器件的研究和理解，以求最終實(shí)現(xiàn)以單分子為基本單元構(gòu)筑電路。單分子器件已經(jīng)成了在納米尺度研究各種有趣物理現(xiàn)象和機(jī)制的平臺(tái)。在原子尺度上對(duì)單個(gè)原子/分子的量子態(tài)實(shí)現(xiàn)精確操縱以及對(duì)其物性實(shí)現(xiàn)可控調(diào)制一直是凝聚態(tài)物理及其應(yīng)用領(lǐng)域中最重要的前沿研究之一，相關(guān)研究具有極強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。過(guò)去十多年的時(shí)間里，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心研究員高鴻鈞領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在單分子尺度量子態(tài)的調(diào)制方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究和探索，取得一系列研究成果。 

　　上個(gè)世紀(jì)末，他們用掃描隧道顯微鏡（STM）成功地實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子的操縱與納米結(jié)構(gòu)的組裝，在國(guó)際上首次證實(shí)在單分子極限尺度下的電導(dǎo)轉(zhuǎn)變，在單個(gè)Rotaxane類分子水平上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的超高密度信息存儲(chǔ)[Phys. Rev. Lett. 84, 1780 (2000); J. Am. Chem. Soc. 127, 15338 (2005); J. Am. Chem. Soc. 129, 2204 (2007)]。2007年，他們報(bào)道了吸附于金單晶表面的磁性分子酞菁鐵的研究工作，發(fā)現(xiàn)分子吸附位置對(duì)近藤（Kondo）效應(yīng)的調(diào)控[Phys. Rev. Lett. 99, 106402 (2007)]，這是國(guó)際上首次報(bào)道固體表面吸附位置對(duì)單分子近藤效應(yīng)的調(diào)控。2013年，他們通過(guò)金單晶表面酞氰錳分子中心錳原子對(duì)單個(gè)氫原子的吸附和脫附，實(shí)現(xiàn)了Kondo效應(yīng)的“開(kāi)”/“關(guān)”效應(yīng)，從而在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)單個(gè)自旋量子態(tài)的可逆操控及其在超高密度量子信息存儲(chǔ)中的原理性應(yīng)用[Scientific Reports 3, 1210 (2013)，被引用約100次]。2015年，他們?cè)谔桢i分子上通過(guò)STM進(jìn)行原子“手術(shù)”，國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了朗德g因子原子尺度的空間分辨[Phys. Rev. Lett. 114, 126601 (2015)]。此外，他們以大面積、高質(zhì)量的石墨烯為基底，首次在實(shí)驗(yàn)上探測(cè)到了不同錳原子團(tuán)簇內(nèi)部的原子間自旋交換作用并實(shí)現(xiàn)了可控調(diào)制[Phys. Rev. Lett. 119, 176806 (2017)]。 

　　在這一系列單分子/單原子尺度自旋特性研究的基礎(chǔ)之上，近期，高鴻鈞研究組博士楊鍇和陳輝等人在基于酞菁鐵的單分子器件中利用磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了電子輸運(yùn)通道的選擇，并成功實(shí)現(xiàn)了單分子尺度巨磁阻效應(yīng)的調(diào)控。英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)教授W. Hofer、中科院物理所研究員向濤、蘭州大學(xué)教授羅洪剛和該研究組研究員杜世萱等在第一性原理計(jì)算以及機(jī)理的理論研究方面進(jìn)行了研究，中科院上海技術(shù)物理研究所研究員胡亦斌對(duì)其巨磁阻效應(yīng)進(jìn)行了分析與計(jì)算。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的單分子器件由三部分構(gòu)成：金單晶，STM金屬針尖，以及金表面吸附的磁性分子酞菁鐵分子（圖1）。實(shí)驗(yàn)上在0.4 K下得到了金表面單個(gè)酞菁鐵分子中心的掃描隧道譜（STS），在費(fèi)米能級(jí)處出現(xiàn)Kondo共振信號(hào)（線型為谷，Kondo dip），外加磁場(chǎng)（2 T - 11 T）下的掃描隧道譜發(fā)現(xiàn)，Kondo共振信號(hào)的線型隨著磁場(chǎng)增加發(fā)生了由谷到峰的變化（圖2）。進(jìn)一步在未加磁場(chǎng)和9 T磁場(chǎng)下對(duì)費(fèi)米面處的Kondo共振信號(hào)進(jìn)行mapping發(fā)現(xiàn)，未加磁場(chǎng)時(shí)的Kondo共振谷在實(shí)空間呈不對(duì)稱分布，而在9 T磁場(chǎng)下Kondo共振峰在實(shí)空間呈對(duì)稱分布（圖3）。實(shí)驗(yàn)上外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化將改變酞菁鐵分子磁矩的取向，密度泛函理論計(jì)算表明，酞菁鐵分子磁矩取向的變化影響了費(fèi)米面附近兩個(gè)對(duì)稱性不同的d 軌道（d_xz/d_yz 和d_z²）的態(tài)密度的相對(duì)大小（圖4），在弱磁場(chǎng)下費(fèi)米面附近電子態(tài)密度主要由d_xz/d_yz 軌道貢獻(xiàn)，在強(qiáng)磁場(chǎng)下則主要由d_z² 軌道貢獻(xiàn)。基于這些實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果，他們提出了通過(guò)磁場(chǎng)的變化對(duì)單分子的電子傳輸通道進(jìn)行可控選擇的機(jī)制：在弱磁場(chǎng)下，電子主要通過(guò)分子中的d_xz/d_yz 軌道進(jìn)行輸運(yùn)；隨著磁場(chǎng)增強(qiáng)，電子的傳輸路徑逐漸向d_z² 軌道變化，最終在高磁場(chǎng)下，d_z² 軌道起主要貢獻(xiàn)。因此，單個(gè)酞菁鐵分子的Kondo共振信號(hào)及其在實(shí)空間的分布可以作為“傳感器”，實(shí)現(xiàn)單分子器件中電子的輸運(yùn)通道的測(cè)量。最終，他們利用磁場(chǎng)控制的單分子磁性取向的變化，實(shí)現(xiàn)了酞菁鐵單分子巨磁阻效應(yīng)的調(diào)控，并獲得了高達(dá)93%的分子電導(dǎo)的變化，從而為未來(lái)單分子自旋電子器件在量子信息存儲(chǔ)與計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑。 

　　該項(xiàng)目得到國(guó)家自然科學(xué)基金(61888102)、科技部(2016YFA0202300, 2017YFA0302900)和中科院(XDB30000000)的支持。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在8月9日出版的《自然-通訊》上[Nature Communications, 10, 3599, (2019)]。 

　　圖1. 磁場(chǎng)對(duì)金單晶表面單個(gè)酞菁鐵分子的電子傳輸路徑調(diào)控示意圖。 

　　圖2. 單個(gè)酞菁鐵分子Kondo共振信號(hào)隨磁場(chǎng)的變化。 

　　圖3. 單個(gè)酞菁鐵分子Kondo共振信號(hào)在不同磁場(chǎng)下的空間分布。 

　　圖4. 利用磁場(chǎng)調(diào)制單個(gè)酞菁鐵分子的巨磁阻效應(yīng)。