分子/钴杂化双层结构中标准铁磁畴结构的坍塌与新型玻璃态磁性相的发现

研究人员通过将有机分子(C60/Gaq3)化学吸附在钴薄膜表面，发现分子-金属杂化作用可诱导产生长程关联的随机各向异性场，当关联长度与特征交换长度相当时，会引发标准铁磁畴结构坍塌，形成具有涡旋拓扑缺陷的玻璃态磁性相。该相表现出反常的磁化反转机制（违反Rayleigh定律）和巨磁硬化效应（Co/Gaq3矫顽力提升30倍），为设计新型磁性复合材料开辟了新途径。

　　

磁性材料的研究始终面临一个核心挑战：如何精确调控材料的磁状态。从传统铁磁性到复杂的自旋织构，磁相的多变性源于Hund耦合、交换相互作用和磁各向异性三者的微妙平衡。尽管量子力学早已成功解释了宏观磁序的微观起源，但实现磁状态的按需设计仍是现代磁学领域的重大难题。近年来，3d过渡金属与有机分子界面因其独特的自旋依赖现象引起广泛关注，但既往研究多聚焦于分子层的磁响应，对金属层磁性的深层影响机制尚不明确。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，由Mattia Benini、Andrei Shumilin和Valentin Alek Dediu领衔的国际团队揭示了分子/钴杂化体系中一种前所未有的玻璃态磁性相。研究人员通过磁光克尔效应(MOKE)、超导量子干涉仪(SQUID)和磁力显微镜(MFM)等表征手段，结合密度泛函理论(DFT)计算和微磁模拟，系统研究了C₆₀与Gaq₃分子修饰的钴薄膜（厚度3-7nm）的磁性能演变规律。关键发现是：分子与金属的π-d轨道杂化会在钴表面产生具有长程关联的随机各向异性场，当关联半径r_C与交换长度ξ可比时，会触发标准铁磁畴结构的全面重构。

研究采用的主要技术方法包括：1）超高真空条件下制备分子/钴双层结构；2）温度依赖的MOKE和SQUID测量磁滞回线；3）原位MFM观测拓扑磁结构；4）DFT计算界面磁各向异性能量(ECA)；5）建立二维关联随机各向异性模型(2D-CRAM)进行微磁模拟。

研究结果部分的重要发现包括：

1. 巨磁硬化效应：在150K下，Co/C₆₀和Co/Gaq₃的矫顽场H_C分别比参比样品提高7倍和30倍，且随温度降低呈指数增长（图6）。DFT计算表明这种硬化源于分子吸附导致的磁晶各向异性(ECA)增强，如Gaq₃使表面钴原子的ECA从0.1meV跃升至1.5meV（图3c）。

2. Rayleigh定律的违反：传统铁磁体遵循H_C/H_C=(M_R/M_R)^0.45的标度关系（图2c），而分子杂化体系显著偏离该规律（图2d），表明磁化反转机制发生本质改变。

3. 畴结构坍塌：微磁模拟显示，当r_C/Δ>1时（Δ=ξ/√K_R），标准磁畴被"模糊伪畴"取代，畴壁呈现弥散不规则特征（图4c,d）。这种玻璃态相被命名为"关联铁磁玻璃"(CFG)，以区别于传统自旋玻璃。

4. 涡旋拓扑缺陷：理论预测的垂直于膜面的涡旋结构（图5a-c）被MFM实验证实（图5e,f），这些缺陷尺寸约50-100nm，其磁化方向可通过外场调控，为体系提供了新的自由度。

这项研究的突破性在于首次实验观测到CFG相的存在，解决了随机各向异性模型中关于长程关联效应的理论预言与实验验证脱节的问题。从应用角度看，分子诱导的磁硬化效应（尤其Co/Gaq₃在室温仍保持100%硬化）为开发无稀土永磁材料提供了新思路。更深远的意义在于，该工作建立了"分子构型-关联各向异性-宏观磁响应"的完整关联链，为磁性复合材料的设计提供了定量调控维度。正如作者强调的，这种界面工程策略的普适性，使其有望拓展至其他分子/金属组合，为自旋电子器件和拓扑磁存储技术的发展注入新的可能性。