随着人工智能、云计算、媒体流等技术的快速发展，全球数据规模猛增，进一步提高了存储设备的尺寸和密度要求。英国曼彻斯特大学和澳大利亚国立大学的研究团队近日在《自然》杂志上发表了他们关于一种新型单分子磁体的研究成果，这种磁体可以在100开尔文（约-173摄氏度）下保持磁记忆，并实现理论存储密度是现有技术的100倍以上。该研究通讯作者之一、曼彻斯特大学无机化学教授戴维·米尔斯在接受本报记者采访时表示，该研究结果有望有助于更高密度数据存储设备的开发。传统硬盘依靠磁性材料内大量原子形成的磁化区域来存储数据。通过改变磁场方向来撕裂数据并表示二进制信息。单分子磁体通过量子自旋效应实现记忆。单个分子可以独立存储信息，而不依赖于邻近的分子，极大地扩展了其存储容量。该研究的共同通讯作者、澳大利亚国立大学理论和计算化学教授 Nicholas Chilton 表示：“这种新型单分子磁体实现的新技术每平方厘米可存储约 3 TB 的数据。” “这相当于邮票大小的硬盘上有 50 万个短视频。”
虽然单分子磁体的理论性能非常好，但磁记忆通常只能在非常低的工作温度下保持。如此恶劣的条件极大地限制了实际应用。为了克服这一限制，研究团队设计了一种独特的分子结构。稀土原子镝元素夹在两个氮原子之间，这三个原子几乎排成一条直线。此前，这种分子结构容易弯曲，破坏磁铁的磁力。为了解决这个问题，研究人员在分子中引入了烯属化学基团。它充当“分子销”，将镝原子锁定为线性分子结构。 “在这个新分子中，烯基和镝原子之间只有微弱的相互作用，但它只会将其他配体推入近乎线性的位置。”佟告诉记者，这种线性配置极大地提高了单S磁波分子的磁性能，使磁存储器的温度比以前提高了20开尔文，最高可达100开尔文。这意味着磁体的数据存储容量可以通过液氮冷却来维持。
“单分子磁体最有前途的应用之一是高密度磁体米尔斯补充说，虽然单分子磁体尚未实现室温操作，但理论上它们可以用于大型数据中心。接下来，需要研究证明这些分子在固体基质表面的基质中沉积时能够继续保持其磁性。同时，必须开发新的读写工艺，以在纳米尺度上编码和读取磁性信息。
“设计具有高工作温度和分子稳定性的单分子磁体将是未来合成化学和磁性材料的重要研究方向。”中国科学技术大学化学材料科学学院副院长杨尚峰表示。目前，一个跨国研究团队正在致力于提高单分子磁体的性能并探索其潜在应用。 2024年，中科大团队使用了一种特殊的富勒烯碳笼（由60个碳原子组成的球形分子结构）捕获并稳定镝原子，有效提高了分子的稳定性，为特殊结构的高性能单分子磁体的设计提供了思路。
未来，“分子设计师”将在现有成果的基础上不断登上新技术的巅峰。 “我们正在寻找新的配体组合，以增加电荷密度并实现更线性的分子结构，”奇尔顿说。 “化学空间几乎有无限的可能性！”
《人民日报》（2025年12月1日，第15页）
（岳宏斌、牛勇主编）
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