鑽石舞台

實現對電子自旋等物質底層性質的調控一直是物質科學中的一個基本問題。在眾多的自旋狀態調控方法中，分子吸附是一種行之有效的方法。理解吸附對固體表面電子自旋狀態的調控機制不僅對氣體探測、信息存儲、磁性拓撲量子材料設計等領域有重要意義，它在多相催化領域也是一個重要的科學問題。然而由於獲取固體表面原子分辨的自旋狀態（原子磁矩）在實驗上極為困難，而可能的自旋狀態隨體系原子數的增加呈指數增長，因此一直以來人們對分子吸附如何影響磁性固體表面的電子自旋狀態所知甚少。

近年來，隨着高性能計算技術和先進算法的發展，量子化學計算成為一種解決傳統實驗手段難以解決的物理、化學問題的有效方法。在前期工作的基礎上，中科院山西煤化所/中科合成油溫曉東研究員團隊發展了一種基於遺傳算法的自旋狀態搜索方法，實現了對固體體相和表面基態原子磁矩的高效預測。利用該方法，發現了一氧化碳(CO)分子吸附於Fe3O4(111)面時，會造成表面初始自旋狀態逐漸失穩，並在一定覆蓋度下誘導表面形成一種近簡併的自旋態。在這種狀態下部分鐵原子處於磁性受阻狀態，即無論該類原子處於自旋向上或自旋向下，體系具有相同的熱力學穩定性。進一步增加CO的吸附量則會造成表面該類鐵原子的磁矩發生翻轉。電子結構分析表明，這種表面原子磁矩的翻轉來自於新的自旋狀態與CO分子之間更強的d→2π*反饋鍵作用。

在表面自旋翻轉的過程中，不同類型的鐵原子之間存在協同效應。即一種鐵原子（Fetet）上吸附CO會導致與其相鄰的另一種鐵原子(Feoct)自旋發生翻轉。電子結構分析表明這種協同效應來自於兩種鐵原子之間通過橋氧發生的電荷轉移。

在該工作中，溫曉東研究員團隊發展了研究固體表面自旋狀態的理論計算方法並成功應用於與鐵基費托合成反應（煤制油）密切相關的CO在氧化鐵表面的化學吸附，首次發現了吸附誘導固體表面自旋翻轉的規律及其內在機制。該研究為進一步通過化學吸附調控固體表面自旋狀態和電子結構提供了有效的研究方法，也為理解涉及磁性原子的多相催化過程提供了更深入的認識。

原文鏈接

https://doi.org/10.1002/anie.202202751

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