二维金属有机框架中轨道选择性大磁各向异性、谷极化和反铁磁狄拉克-莫特绝缘体的研究

研究人员通过第一性原理计算，设计了一系列稳定的二维TM-HOB金属有机框架(MOFs)，实现了红宝石晶格结构。该研究通过调控d电子填充和轨道选择性，发现了Ni-HOB中巨大的磁各向异性能(163.54 meV Ni?1)、Fe-HOB中显著的谷极化(388 meV)以及Zr/Hf-HOB中的反铁磁狄拉克-莫特绝缘态，为自旋电子学、谷电子学和量子计算提供了理想材料平台。

　　

在量子材料研究领域，二维晶格结构因其独特的电子性质备受关注。科学家们巧妙地利用六羟基苯(H₆HOB)和三配位过渡金属(TM)原子，通过去质子化过程构建了具有红宝石晶格的TM-HOB金属有机框架(MOFs)。这些材料中，过渡金属离子处于平面三角形晶体场中，导致d轨道分裂为三组：e′(d_xy/x2-y2)、a′(d_z2)和e′″(d_xz/yz)。

通过精确调控费米能级与这三组d轨道的相对位置，研究人员发现了一系列令人振奋的量子现象：Ni-HOB展现出轨道选择性超大磁各向异性能(163.54 meV Ni^?1)，堪称自旋电子学器件的理想候选；Fe-HOB中388 meV的巨大谷极化效应，为谷电子学应用开辟了新途径；而Zr-HOB和Hf-HOB则呈现出罕见的反铁磁狄拉克-莫特绝缘态，这种特殊的电子结构在量子计算领域具有重要价值。

这项研究不仅实现了红宝石晶格在真实材料中的构建，更通过d电子填充的精确调控，展示了轨道选择性量子态的丰富多样性，为开发新一代自旋电子器件、谷电子器件和量子计算平台提供了重要的材料基础。