9月初以來，國際期刊《美國化學(xué)會志》(Journal of the American Chemical Society)在線發(fā)表了武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)張俊教授與日本東北大學(xué)Hitoshi Miyasaka教授合作的*研究成果。上海新躍儀表廠該研究首次揭示了氧氣分子的自旋能夠直接介導(dǎo)多孔磁體的磁性演變，為氣體響應(yīng)型磁性材料的基礎(chǔ)研究及其在智能傳感和自旋電子學(xué)中的應(yīng)用開辟了新思路。論文題目為“Cooperative WWW.shsaic.net/Magnetic Phase Evolution via Oxygen Spin Coupling in a Layered Metal–Organic Framework”(基于氧氣自旋耦合的層狀金屬有機(jī)框架磁相協(xié)同演變)。武漢大學(xué)為*完成單位，張俊教授為論文*作者。
  多孔磁體是一類兼具多孔性和磁性的分子基材料，因其可實現(xiàn)可控磁性切換與信息存儲、低能耗自旋電子學(xué)器件、磁傳感與環(huán)境監(jiān)測等潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。其的開放孔道結(jié)構(gòu)使其能夠通過吸附客體分子調(diào)控電子與自旋構(gòu)型，從而實現(xiàn)磁性的切換與調(diào)控。氣體分子具有快速吸脫附和低損傷性，被視為理想的客體分子。然而，氣體與框架的作用較弱，磁性調(diào)控效果有限。因此，如何突破氣體與框架作用弱、缺乏有效自旋耦合通道的局限，建立氣體分子自旋直接驅(qū)動的動態(tài)磁相演變機(jī)制，成為該領(lǐng)域亟待解決的核心科學(xué)難題。
  在本項工作中，研究團(tuán)隊設(shè)計并合成了一種二維層狀電荷轉(zhuǎn)移型多孔磁體。研究發(fā)現(xiàn)，上海儀表四廠在氧氣(O?)逐步進(jìn)入材料孔道的過程中，體系的磁性經(jīng)歷了一個動態(tài)演變的過程。起初，當(dāng)少量O?分子進(jìn)入層間孔隙時，它們以單體或稀疏分布的形式存在，初期氧氣單體進(jìn)入層間時僅與原有鐵磁層弱相互作用，體系整體仍保持鐵磁態(tài)。隨著O?吸附量的增加，分子在層間逐漸富集并形成二聚體，這些二聚體通過自旋耦合作用充當(dāng)“自旋橋梁”，逐步取代原有的層間鐵磁耦合，誘導(dǎo)局部區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁耦合。隨著吸附量的進(jìn)一步提升，反鐵磁性區(qū)域不斷擴(kuò)展并協(xié)同增長，*終在體系中占據(jù)主導(dǎo)地位，使整體磁性從鐵磁態(tài)平滑過渡到穩(wěn)定的反鐵磁態(tài)。實驗上觀測到奈爾溫度由17 K提升至28 K。密度泛函理論計算進(jìn)一步證實，O?二聚體可作為高效“自旋橋梁”，直接介導(dǎo)層間反鐵磁耦合，從而實現(xiàn)磁性的連續(xù)可控演變。首次揭示了氣體分子通過自旋直接驅(qū)動磁相演變的動力學(xué)過程，也為構(gòu)筑可編程磁性開關(guān)器件、開發(fā)高靈敏氣體傳感器和探索低功耗自旋電子學(xué)元件奠定了理論與實驗基礎(chǔ)。
  張俊團(tuán)隊長期致力于客體響應(yīng)型多孔磁體的構(gòu)筑與物性調(diào)控，在該領(lǐng)域積累了系統(tǒng)性原創(chuàng)成果(JACS2018,140, /WWW.shhzy3.cn/5644；Nat. Chem.2021,13, 191；JACS2021,143, 7021；JACS2023,145, 26179.)。前期研究報道了二氧化碳誘導(dǎo)的多孔磁體從順磁態(tài)到亞鐵磁態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，首次揭示了氣體分子可通過電荷轉(zhuǎn)移實現(xiàn)長程磁有序；系統(tǒng)闡明了氣體吸附過程中的電子態(tài)調(diào)控、磁性相變及晶格有序的協(xié)同效應(yīng)。這些工作不僅奠定了氣體調(diào)控磁性的研究基礎(chǔ)，也為本次“氧氣自旋介導(dǎo)動態(tài)磁相演變”的發(fā)現(xiàn)提供了理論與實驗支撐。
  該工作得到*自然科學(xué)基金及武漢大學(xué)科研公共服務(wù)條件平臺的支持。