【仪表网 研发快讯】7月7日，《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)在线刊发了物理学院付英双教授领导的低维物理与量子材料团队的最新研究成果，文章题为“Pb(111)上双层酞菁分子磁体的自稳定电荷态”(Self-stabilized charge states in a double-decker molecular magnet on Pb(111)。物理学院博士生廖心(已毕业)和博士生孙瑞静为共同第一作者，付英双教授为论文的通讯作者，华中科技大学为唯一单位。物理学院博士生杨连志、谢韬，团队成员张文号副教授和刘超飞副教授，日本大阪大学Emi Minamitani教授合作参与了相关工作，TbPc2分子由德国卡尔斯鲁厄理工学院Mario Ruben教授团队提供。
在分子电子学领域，控制单个分子的电荷态是调控其物理化学性质的核心手段。此前，分子的电荷态通常依赖基底的支撑：绝缘基底通过晶格极化稳定电荷，金属基底则通过电荷转移和界面化学势差维持电荷态。这些方式高度依赖分子与基底的特定组合，缺乏普适性。TbPc₂分子成为解决这一问题的突破口。这种分子由一个铽离子(Tb³⁺)夹在两个酞菁(Pc)配体之间，配体间呈45°堆叠。这种结构赋予分子两大优势：下层配体削弱了与基底的强耦合，保留了分子轨道特性；同时，分子内部具有灵活的结构畸变自由度，为电荷自稳定提供了可能。
研究团队利用扫描隧道显微镜(STM)观察到，吸附在Pb (111)表面的TbPc₂分子自组装成方形晶格。其中，大多数分子呈现8叶瓣状的四重对称性(C4-TbPc₂)，与已知的[TbPc₂]⁻阴离子态一致；但约1.5%的分子表现出明显的二重对称性(C2-TbPc₂)——两对叶瓣亮度显著高于另外两对。进一步的扫描隧道谱(STS)分析揭示了更有趣的现象：这些二重对称分子分为A、B两种类型。A型分子在费米能级附近出现尖锐的近藤共振峰，表明其配体具有未配对电子自旋；B型分子则无此特征，说明分子自旋态消失。
通过密度泛函理论(DFT)计算，团队解开了二重对称的成因：电荷诱导的Jahn-Teller畸变。对于C4-TbPc₂([TbPc₂]⁻)，其最低未占据分子轨道(LUMO)是简并的(能量相同的两个轨道)。当分子捕获额外电子成为[TbPc₂]²⁻(A型)时，简并LUMO因Jahn-Teller效应分裂为两个能量不同的轨道(FLUMO-1和FLUMO-2)，分子结构畸变为二重对称，以稳定多余电子。此时FLUMO-1轨道单电子占据，产生自旋，形成近藤共振。若再捕获一个电子成为[TbPc₂]³⁻(B型)，FLUMO-1和-2轨道双电子占据，自旋配对，近藤共振消失，但二重对称性被保留。
这种畸变完全由分子内部结构调整实现，无需基底参与。实验中，团队通过STM针尖将C2-TbPc₂分子移出分子膜，发现其二重对称性和自旋态仍能保持，进一步证实了电荷态的自稳定性。
研究的另一关键发现是电荷态的可调控性。通过施加高电压(约1.8 V)，团队实现了C2-TbPc₂向C4-TbPc₂的不可逆转变——强电场打破Jahn-Teller畸变，释放多余电子。此外，还能实现B型向A型的转变，为电荷态精准调控奠定基础。这一机制可推广到其他具有内部结构自由度的分子，推动其在自旋电子学和量子技术中的应用。
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