近日，山东师范大学物理与光电学院王传奎教授团队在自然指数期刊《The Journal of Physical Chemistry Letters》上发表了题为“Ring Current and Local Magnetic Fields Influenced by Quantum Interference in Molecular Junctions”的学术论文，从理论上利用量子干涉实现了mT强度的亚纳米级局域磁场，从而为实验实现可控的单分子自旋过滤器和自旋逻辑门提供了理论依据与支撑。山东师范大学为唯一论文署名单位，硕士研究生葛云龙为第一作者，李宗良教授为通讯作者。
近年来，虽然从理论上提出了分子尺度自旋过滤器和自旋逻辑门的设计理念，但是由于无法实现控制自旋过滤器和自旋逻辑门工作的具有一定强度的可控亚纳米级局域磁场，因此从实验上控制亚纳米片段的自旋极化方向实现分子尺度自旋过滤器和自旋逻辑门具有极大的挑战性。基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法，论文研究了含有交叉π共轭结构和线性π共轭结构的分子结的电输运性质，利用两种π共轭结构的量子干涉特性实现了电子的环流并产生亚纳米尺度局域磁场。
不同偏压下中心环形结构中的电流密度
计算发现若在分子结中存在由两种π共轭结构组成的环状结构，则在环状结构中可以产生环形电流，并在环状结构中心区域产生可利用偏压控制的亚纳米级局域磁场。这是因为电流容易通过线性π共轭支路，但由于量子干涉相消(DQI)效应很难进入交叉π共轭，从而在由两种π共轭结构组成的环状电路中产生环形电流和局域磁场。提高环状结构的平面性可以有效提高环形电流。控制前线分子轨道在环状结构与漏电极之间的连接区产生DQI效应可以进一步提高环形电流强度和局域磁场强度。计算显示，含有环庚三烯环的分子结在1V偏压下可以产生超过6 mT的纳米级局域磁场。这一强度的纳米级局域磁场可以使实验设计单分子自旋过滤器和自旋逻辑门变成现实。
不同偏压下中心环形结构中虚线界面处的磁场
以上研究获得国家自然科学基金面上项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpclett.6c00633
