内嵌金属富勒烯Y2@C79N分子的顺磁性质研究

Endohedral metallofullerenes have combined properties from carbon cages as well as internal metal species, and have important practical applications in many fields. Especially in the aspect of molecule magnetism, metallofullerenes possess the stable electron spin, internal nanoscale confinement, and quantum effects, which make them applicable in quantum information processing, high-density data storage, and molecular magnetic probe. This program will study the paramagnetic properties of metallofullerene Y2@C79N. The N-doped fullerene cage endows the molecule with paramagnetic property, and makes the Y2@C79N with susceptible electron spin resonance structure. Based on Y2@C79N, we will firstly investigate the spin and paramagnetic properties. The electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is employed to detect the couplings between the unpaired electron spin and Y/N nuclei for Y2@C79N, as well as to study the interaction between the molecule dipole and external magnetic field direction. Then, we will study the dipole-dipole interaction between Y2@C79N and paramagnetic diamond with nitrogen-vacancy center, as well as develop the studies on molecular magnetic probe for Y2@C79N. These spin and paramagnetic studies on Y2@C79N are greatly meaningful to understand its spin characters, and to expand its quantum effect applications.

内嵌金属富勒烯由于兼具碳笼和金属的性质，在多个方面具有重要应用价值。尤其在分子磁性方面，金属富勒烯分子因其稳定的电子自旋、笼内纳米限域、量子效应等特性使其有望用于量子信息处理、高密度信息存储、分子磁探针等方面。本项目拟开展金属富勒烯Y2@C79N的顺磁性质研究，碳笼上N原子掺杂使该分子具有顺磁性，并赋予其敏感的电子自旋共振结构。基于Y2@C79N我们计划首先深入探究Y2@C79N中的自旋与顺磁特性，采用电子顺磁共振波谱（EPR）技术探测Y2@C79N中的自旋电子与Y和N核的耦合作用，以及分子偶极子与外磁场方向的相互作用。进一步地，研究Y2@C79N与色心金刚石等磁性材料之间的偶极相互作用，并开展Y2@C79N分子磁探针的研究。Y2@C79N的自旋与顺磁性研究对于认识该分子的自旋特征并拓展其量子效应应用具有重要意义。

内嵌金属富勒烯由于兼具碳笼和金属的性质，在多个方面具有重要应用价值。尤其在分子磁性方面，金属富勒烯分子因其稳定的电子自旋、笼内纳米限域、量子效应等特性使其有望用于量子信息处理、高密度信息存储、分子磁探针等方面。本项目将深入开展金属富勒烯的顺磁性研究，探究分子的电子自旋对外界环境的响应性，如温度的变化、空间的变化、化学的调控、分子的取向等。研究目标是探究金属富勒烯的自旋特性以及自旋的功能，推动金属富勒烯电子自旋的应用。. 本项目开展了以Y2@C79N为代表的金属富勒烯顺磁性质研究，采用电子顺磁共振波谱（EPR）技术探测金属富勒烯中的自旋电子与金属核的耦合作用，利用限域效应调控金属富勒烯的顺磁性质，探索分子取向时电子自旋与外磁场方向的相互作用，研究了电子自旋对纳米孔道和笼外分子运动的感知，发展了分子磁探针的功能。项目首先基于Y2@C79N深入探究了Y2@C79N的电子自旋与顺磁特性，利用MOF多孔材料和碳纳米环的纳米限域效应调控了Y2@C79N的电子自旋，构筑了自旋取向的材料。进一步地，研究了Sc3C2@C80的电子自旋与顺磁特性的调控，研究了Sc3C2@C80的电子自旋对MOF孔道变化和笼外分子运动的感知。最后，研究了一些金属富勒烯自由基的顺磁性质，发展了自旋对分子结构的感知能力。这些研究对于认识金属富勒烯分子的自旋特性和量子效应具有重要意义。本项目拓展了金属富勒烯自旋的应用。例如研制的金属富勒烯Y2@C79N与MOF-177复合单晶材料用于“基于原子自旋效应的超高灵敏磁场与惯性测量实验研究装置”中，为该实验装置提供新的自旋材料。另外，金属富勒烯Sc3C2@C80作为分子磁探针用于探测MOF材料孔笼的变化，如MOF材料的热胀冷缩以及MOF孔道中气体的吸脱附过程。