随着人工智能、云计算、流媒体等技术的快速发展，全球数据规模迎来爆炸式增长，对存储设备的大小、密度等都提出了更高要求。近期，英国曼彻斯特大学和澳大利亚国立大学的研究团队在《自然》杂志上发表了一种新型的单分子磁体研究成果，它可以在100开尔文(约零下173摄氏度)的条件下保持磁记忆，并使理论存储密度达到现有技术的100倍以上。该研究的通讯作者之一、曼彻斯特大学无机化学教授大卫·米尔斯在接受本报记者采访时表示，该成果有望助力开发更加高密度的数据存储设备。
传统硬盘依赖磁性材料中大量原子组成的磁化区域存储数据，并通过改变磁场方向来表示二进制信息。而单分子磁体通过量子自旋效应实现存储，单个分子即可独立存储信息，无须依赖邻近分子，这就大大拓展了存储的容量。“此次新型单分子磁体催生的新技术能够实现在每平方厘米面积上存储约3TB数据。”该研究的共同通讯作者、澳大利亚国立大学计算与理论化学教授尼古拉斯·奇尔顿表示，“这相当于将50万个短视频装进邮票大小的硬盘中。”
尽管单分子磁体的理论性能十分优越，但通常只有在极低的工作温度下才能保持磁记忆，这样苛刻的条件严重制约着实际应用。为突破这一限制，此次研究团队设计出一种独特的分子结构：一个稀土元素镝原子被两个氮原子夹在中间，三者几乎呈一条直线排列。以往，这类分子结构极易发生弯曲，对磁体的磁能力造成破坏。为解决这一难题，研究人员在分子中引入烯烃化学基团，其作用就像一个“分子别针”，通过锚定镝原子来固定线性分子构型。“在这个新分子中，烯烃基团与镝原子之间只有微弱的相互作用，但它恰到好处地将另一配体推挤到接近线性的位置。”奇尔顿告诉记者，这种线性构型可以显著提高单分子磁体的磁性能，并将磁记忆温度突破至100开尔文，比此前提高了20开尔文，这意味着可以通过液氮冷却来维持磁体的数据存储能力。
“单分子磁体最具前景的应用之一是用于高密度数据存储设备。”米尔斯表示，虽然目前该单分子磁体尚未实现室温运行，但理论上已具备在大型数据中心应用的可行性。下一步，还需要研究证明当这些分子以阵列形式沉积在固体基底表面时，能够继续保持磁特性。同时，还需要开发新的读写工艺，以便在纳米尺度上对磁信息进行编码和读取。
“设计出兼具高工作温度和高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热点研究方向。”中国科学技术大学化学与材料科学学院副院长杨上峰向记者介绍，当前多国研究团队正致力于提升单分子磁体性能、挖掘其应用潜力。2024年，中科大团队利用特殊的富勒烯碳笼(由60个碳原子组成的球形分子结构)捕获并稳定镝原子，有效提高了分子稳定性，为设计具有特殊结构的高性能单分子磁体提供了思路。
未来，“分子设计师们”将以现有成果为基础，继续攀登新的技术高峰。“我们正在寻找新的配体组合，以提高电荷密度并实现更加线性的分子构型。”奇尔顿说，“化学空间中有着几乎无限的可能性！” 【编辑:史词】