来源：中国人民大学
近日，中国人民大学物理学系季威教授、王聪博士与南京大学宋凤麒教授、厦门大学谢素原教授、伦斯勒理工学院史夙飞教授、耶鲁大学Mark A. Reed教授等研究团队合作，通过理论计算和实验测量发现了世界上首个单分子驻极体（electret）——Gd@C82，在驻极体被人类合成100年后将其物理尺寸压缩到极致的单分子水平（～1 nm，十亿分之一米），这是目前人类所知最小的驻极体。该分子中的Gd（钆，一种稀土元素）原子可以被人为控制地在两个不同位置间移动而用于信息编码，为未来存储器小型化提供了一种新方案，也展现出作为一个新兴研究方向的巨大潜力。相关研究工作以A Gd@C82 single-molecule electret”（一个碳82笼中钆原子的单分子驻极体）为题发表在10月12日出版的《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。
磁性是在日常生活中常见的现象，早在5000年前人们就认识了磁现象。天然铁矿石大抵是人类最早发现的永磁体，《鬼谷子·谋篇第十》就记载了2000多年的战国时期利用天然永磁体制作司南的例子。在不对其进行任何操作的情况下，永磁体（permanent magnet）磁矩方向可以长期保持不变。硬盘磁片就是一种永磁体，记录信息则是在其微、纳米级的磁畴上对磁矩进行操作实现的。而在不进行写操作时，它的每个磁畴的磁矩方向不会发生变化，保证了其保存资料的可靠性。磁盘的信息存储密度已经从最初的2000 比特每平方英寸提到到了13亿比特每平方英寸以上。随着信息存储需求的暴涨，人们为提高信息存储密度、缩小磁畴尺寸提出了需求，而单分子磁体（single-molecule magnet）把磁性信号记录单元的尺寸缩小到极致的单个分子层次，也就是磁畴小型化的终极方案。
第一个分子磁体是在上世纪80年代被合成的Mn-12络合物，通常认为直到1993年Novak等人才首次证实该络合物是一种特征温度不高于4 K （约-269℃）且可以用于信息存储的单分子磁体 [Nature 365， 141-143 （1993）]。2018年Layfield等人则首次将单分子磁体的特征温度提高到80K（约-193℃），达到了液氮温度（78K）以上（Science2018，DOI：10.1126/science.aav0652）。
驻极体（electret）是一类可以与永磁体相类比的材料，可以看作是静电版的永磁体，也可以用于信息存储，还用在静电耳机和麦克风等多个方面。驻极体拥有不加外场时可以长期保持的电极化特性，其极化形式与永磁体中的电子自旋极化导致的磁性不同。驻极体特征早在1732年就被Gray发现了，1839年Faraday（法拉第）从理论上总结了这一特征，而在1892年Heaviside首次将electric和magnet两词组合成了electr-et（electret），明确提出了驻极体的概念。1919年日本物理学家Eguchi首次合成了驻极体材料，引领了驻极体的研究热潮。
尽管驻极体材料已经研究了100余年，且单分子水平的单分子磁体也研究了近30年，单分子驻极体的研究却显得严重滞后了。2018年Nishihara等人首次在K12[Tb3+@P5W30O110]（[Tb3+@P5W30]）单分子驻极体的粉末样品中观察到了电极化回滞现象
然而，这一回滞现象是众多分子相互耦合的结果还是单个分子自身的表现，一时莫衷一是。2020年，物理学系及合作团队则首次在Gd@C82单分子器件中发现了单分子驻极体特征，并展示了其信息存储能力，将驻极体的尺寸极限缩小到了1 nm尺度。
具体地，他们在1.6 K（约-271.6 ℃）的低温下，利用电致迁移纳米间隙法，在一条约50 nm宽的金属导线上制造出了一道1 nm左右的间隙，并成功构造了几个Gd@C82单分子器件（如图1a所示），随后固定一个非常接近于零（2 mV）的源-漏电压值，通过改变栅极电压Vg，记录不同栅极电压值时的源流电流Ids，便会得到两套谱线，对应两种器件状态（state 1和state 2）。如图1b所示，这两种状态可以通过改变栅压相互切换，在同一个单分子器件中，表现出了两套截然不同的输运特性。
这两种状态大概率对应两种分子构型，但这种构型变化却很难通过观测手段直接显示出来，第一性原理计算便体现出其特有的优势。计算发现，Gd@C82分子中Gd原子处在C82笼上的两个相邻的最稳定吸附位点上，其能量相差 ～ 6 meV（如图2a）。可以看到，Gd@C82分子的正负电荷中心并不重合，即分子存在电偶极矩。Gd原子在两个稳定吸附位点间移动，可改变分子的电偶极矩方向，从而可以利用外加电场调控两个吸附位点的相对稳定性。计算表明只要克服～11 meV的转换势垒，即可实现电场控制下Gd原子在两个位点间移动（如图2）。这本质上就等于实现了在单个分子水平上电偶极矩的可控翻转，即该器件是一种以单分子驻极体（Gd@C82）方式运转的单原子（Gd）信息存储器。
该工作是首次在单分子水平上证明了单分子驻极体的存在，并实现了存储操作，也是当前所知最小的驻极体。该单分子电偶极矩的可控翻转，实际是内嵌原子的位置移动，即该器件是一种以单分子电偶极矩翻转模式运行的单原子存储器。正如下图所示的那样，两个不同的原子位置可以用来编码信息，为未来存储器件小型化提供一种方案，展现出作为一个新兴研究方向的潜力。
该研究成果于10月12日以“A Gd@C82 single-molecule electret”为题发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）上，物理学系博士后王聪博士（2019年吴玉章奖学金获得者）和南京大学博士生张康康、白占斌及张敏昊博士为论文的共同第一作者。物理学系季威教授和南京大学宋凤麒教授、厦门大学谢素原教授、伦斯勒理工学院史夙飞教授、耶鲁大学Mark A. Reed教授为论文的共同通讯作者。该工作的理论计算部分由人民大学完成，实验部分由合作单位完成。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院战略重点研究项目、中央高校基本科研业务费等项目的资助。