南京大学化学与化工学院宋友

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宋友，南京大学教授，主要研究方向为分子基磁体、铁电体和多铁材料，在美国化学会誌、德国应用化学等国内外学术刊物发表SCI论文100多篇，目前承担国家自然科学基金面上项目及973子项目等多项国家级课题。

宋友，男，南京大学化学化工学院，教授，博士生导师
1988年：河北师范学院（现河北师范大学）化学系获理学学士学位；
1991年：东北师范大学化学系获理学硕士学位；
1991-1997年：河北北方学院（原张家口农业高等专科学校）任教；
2000年：南京大学获理学博士学位；
2000-2002年：东京大学先端科学技术研究中心桥本(Hashimoto)研究室，神奈川科学院光机能变换材料设计室，STA资助博士后研究员（后为JSPS博士后研究员）；
2003-2005年：南京大学物理系博士后；
2005年和2006年：受聘于台湾大学和中央研究院（台湾）为短期磁性研究客座专家；
2005年：南京大学配位化学国家重点实验室，副教授；
2009-至今：南京大学配位化学国家重点实验室，教授。
B.S., Hebei Teaching College (1988)
M.S., Northeast Normal University (1991, Physical Chemistry, Prof. Zhong Yan)
Ph.D., State Key Laboratory of Coordination Chemistry, Nanjing University (2000, Inorganic Chemistry, Prof. Xiao-Zeng You)
Postdoc., STA and JSPS fellow, the University of Tokyo and Kanagawa Academy of Science and Technology (2000-2002, Physical Chemistry, Prof. Kazuhito Hashimoto)
Postdoc., Nanjing University (2003-2005, Physics Department)
Short-Term Visiting Professor, Academic Sinica and Taiwan University (2005 and 2006, “Aim for Top University Project”)
Associate Professor, State Key Laboratory of Coordiantion Chemistry, Nanjing University (2005-2009)
Professor, State Key Laboratory of Coordiantion Chemistry, Nanjing University (2009-)
本课题组旨在以配位化学为基础，课题组初期主要展开了分子基磁体（单分子磁体，单链磁体，高Tc分子磁体）以及铁电介电材料的研究；随着发展，我们近期主要是利用先前的研究基础在学科交叉方面展开前沿课题研究。  


1. 单分子磁体及其在量子霍尔效应中的应用：
量子霍尔效应是在外磁场作用下材料电阻为零的一种物理现象，如果在材料内部嵌入一个磁体有可能达到与外加磁场同样的效果，即通过自旋调节实现量子霍尔效应，被物理学界称为量子自旋霍尔效应。目前这方面的研究只局限于物理领域，因只在近几年才提出这种理论，所以观察到这种现象的实验到目前只有5例左右。量子自旋霍尔效应和自旋霍尔效应相比因不加外磁场所以才具有真正的应用价值，其类超导现象不但达到节能的效果，同时可能使电子工业得到飞跃的发展。
本课题组将单分子磁体和二维导电材料有机结合试图去实现量子霍尔效应，进而获得显示量子自旋霍尔效应的器件。
2. 单分子磁体在量子比特方面的应用
微观粒子表现出量子纠缠，量子叠加和量子隧穿等量子效应，这些特殊的性质可以用来发展量子计算机，这一伟大的构想可能带来信息通信的二次革命，推动人类文明的进一步发展。量子计算机的核心就是类似经典比特的量子比特，不同的是，经典比特是“定态” 0 和1，而量子比特是0和1的叠加态，既是0也是1.
目前，科学家为开发了诸如：量子点，光子，离子阱，超导回路，自旋等量子比特。自旋量子比特包含核自旋和电子自旋，通过电场或这是脉冲EPR可以对其操纵从而形成叠加态。单分子磁体主要是研究自旋-晶格的相互作用，而量子比特的性质由两个参数决定，一个是叠加态的寿命（自旋自旋作用），另一个是激发态的自旋回到基态的弛豫时间（自旋-晶格作用）。单分子磁体研究的自旋慢弛豫性质和量子比特里面的弛豫时间由内在的联系，基于此，单分子磁体在量子比特方面的研究具有先天的优势。
3.从具有自旋阻挫的小分子出发研究量子自旋液体：
    磁性通常被认为有两种：铁磁性和反铁磁性，但2011年后人们发现了第三种状态，即量子自旋液体，其来自一种从矿物中提出的固态晶体“herbertsmithite”，但磁性却很像液体里的分子，内部每个粒子的磁方向因量子效应都是持续混乱的，这一发现可能会带来数据存储(新型存储器)、计算机通信(远程量子缠绕)的重大突破，造就新型量子计算机，或者实现真正的高温超导体——可在常温而非零下200°C下工作的超导体，所以量子自旋液体的研究是国际材料研究领域一非常热门的课题。因受各种条件的制约，获得量子自旋液体非常困难，但形成量子自旋液体的基础是材料内部的自旋间全部处于自旋阻挫状态，所以本课题组从小分子的自旋阻挫出发，研究自旋间全部反铁磁耦合作用时的制约因素，然后扩大体系的维度，逐渐逼近量子自旋液体。
代表性论文：Dalton Trans. 2017, 46, 6670；Inorg. Chem. 2016, 55, 5914−5923.
4.单分子化合物、簇合物和单分子磁体
1）以强磁各向异性离子为自旋载体（Co(II),Fe(II),Dy(III),Er(III)等离子）构筑不同配位构型的化合物得到优良性质的单离子磁体（SIMs）
2）通过将金属离子和有机桥联配体反应得到具有单分子磁体性质的簇合物。
3）以铁六氰，铁四氰，钨钼八氰基配体为基础构筑的簇合物。
5. 多维结构的磁性化合物和三维磁体：
6. 铁电、介电及相关性质
客体溶剂分子诱导的铁电开关效应 ( J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10214 −10217.  (2013, 7) )
手性配体构筑的易升华镀膜低维铁电体 (Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6820-6823. (2007, 9) )

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从三棱柱到反三棱柱Co(II)配合物：旋转角φ与其磁性质的关系

磁性材料从信息存储、通讯设备到医疗设备等领域得到广泛的应用。传统的磁性材料通常为SmCo5、Nd2Fe14B等强磁性的稀土金属化合物，随着设备微型化以及稀土的日渐减少，科学家们开始寻求更小的尺寸以及更为廉价的替代品。单离子磁体作为一种只有单一自旋中心的单分子磁体具有磁性双稳态，理论上是目前最小的存储单元。在信息膨胀的今天，其在高密度存储材料、分子自旋电子学、量子比特与量子计算等方面具有广阔的应用前景。

对于过渡金属的单离子磁体，其磁性翻转能垒由基态自旋S 和零场分裂参数D共同决定，可表示为U = |D|S2（S为整数）或|D|(S2-1/4)（S为半整数）。高自旋的过渡金属Co(II)体系作为非整数自旋体系，拥有较大的零场分裂参数D和较高的半整数自旋S，是一种构建单离子磁体的良好自旋载体。基于Co(II)的单离子磁体配合物从二配位、三配位一直到八配位均有报道，其中六配位构型由于稳定性十分有利于器件化而得到广泛的研究。近年来，三棱柱构型与反三棱柱构型的多例Co(II)单离子磁体得到报道，然而关于影响这两个构型截然不同的磁行为的因素却尚无讨论。

基于上述情况，为了探究影响该类构型Co(II)配合物磁性质的因素，南京大学配位化学国家重点实验室的宋友课题组合成了一系列反三棱柱Co(II)单离子磁体，详细表征了其结构和磁行为。这一系列的配合物均呈现为场致的单离子磁体。经比较，该类化合物磁性质与三棱柱上下两个底面相对旋转的角度有关。查阅所有已发表的三棱柱与反三棱柱单核Co(II)体系，他们发现无一例外均符合这一规律：三棱柱构型（重叠型）为零场单离子磁体，而反三棱柱构型（交错型）为场致的单离子磁体。为了进一步探究其内在规律，他们与南京师范大学物理科学与技术学院的张义权老师合作，设计了一系列旋转不同φ角度后的模型分子，并计算得到其各向异性的朗德因子g值。通过拟合，他们发现旋转角φ与g符合如下定量关系：gz = 9.29 + 0.48 cos(2π/120×φ)，giso = 5.38 + 0.25cos(2π/120×φ)。

该工作是首次得到三棱柱、反三棱柱体系中旋转角φ与朗德因子g的定量关系。从该关系式可以看出，当0° < φ < 60°时，随着φ增大，即当体系趋于反三棱柱构型（交错型）时，其轴向各向异性减弱，由此解释了三棱柱Co(II)体系为零场单离子磁体，而反三棱柱Co(II)体系需要外加磁场才能体现单离子磁体行为这一现象。此外，基于这一关系式，相关领域的研究人员可以通过结构快速预测其g 值，从而预测其磁性质，便于设计性质良好的单分子磁体。该成果发表在Inorganic Chemistry上，第一作者是硕士生张静。相关研究工作得到国家自然科学基金委和国家重点基础研究发展计划的大力支持。

该论文作者为：Jing Zhang, Jing Li, Li Yang, Chen Yuan, Yi-Quan Zhang and You Song

Magnetic Anisotropy from Trigonal Prismatic to Trigonal Antiprismatic Co(II) Complexes: Experimental Observation and Theoretical Prediction

Inorg. Chem., 2018, 57, 3903, DOI: 10.1021/acs.inorgchem.8b00055

renjianshao

磁性配合物中的自旋量子比特
批准号        21973038       
学科分类        分子磁学 ( B030606 )
项目负责人        宋友       
依托单位        南京大学
资助金额        66.00万元       
项目类别        面上项目       
研究期限        2020 年 01 月 01 日 至2023 年 12 月 31 日