设计具有径向π共轭碳结构的有效单分子电磁体

《Nature Communications》：Designing effective single-molecule electromagnets with radially π-conjugated carbon structures

　　

摘要

当电荷在分子电路中流动时，会产生磁场，从而使该电路表现出纳米级电磁体的特性。然而，在单分子电路中，这种磁场通常较弱。在这里，我们展示了径向π共轭碳结构能够支持增强的环流，进而产生局部磁场。在紧束缚理论和密度泛函理论框架下，我们首先研究了环对苯乙烯基（CPP）结，其中两个电极都连接在纳米环上的同一个苯乙烯单元上。通过分析局部电流密度，我们观察到了一个与能量相关的环流分量，它贯穿整个大环结构。重要的是，我们发现，在简并共振附近发生的相消干涉可以改变环流的方向，并使其强度远远超过源极-漏极电流的强度。我们表明，这种由干涉驱动的设计原理具有普遍性，同样适用于C₆₀结。在富勒烯中，通过静电控制更容易触发较低能级的简并共振，在100?mV的源极-漏极偏压下可产生14.2 mT的磁场。因此，这项研究为径向π共轭碳结构中的环流提供了新的见解，并凸显了它们作为单分子电磁体设计平台的潜力。