为了纪念60年前佛罗伦萨在稀土元素研究上的传统，我们决定尝试利用镧系元素的磁性质。首先考虑的是钆和镝，钆的轨道磁矩已经完全淬灭，而镝则是一个各向异性离子的例子。为什么是镝而不是其他有各向异性离子的元素，比如铥？这其实并没有多少理性设计的考虑，只是总得选其中某一个开始研究而已。令人惊讶的是，我们发现镝基材料能够在特定温度下整序为块状磁体，而这一温度与锰基材料产生此性能的温度非常接近(C. Benelli, A. Caneschi, D. Gatteschi and R. Sessoli Adv. Mater. 4, 504–505; 1992)。一般认为锰基材料的磁结构单元之间应该具有比镝基材料更强的相互作用，因此这些结果说明了镝的各向异性在分子磁体磁性质中扮演着重要角色。
一部分磁各向异性的类型倾向于沿着易磁化轴磁化。在符合这一特性的磁各向异性类型中，伊辛磁各向异性在单分子磁体（SMMs）里表现得尤为相关。当特定分子体系由于强各向异性阻碍了磁化驰豫时，每个分子将会被转变成一个微小的磁体，这就是“单分子磁体”。曾有一场寻找单分子磁体的“淘金热潮”，镧系元素最受关注。这是因为当时发现，将镝离子夹在两个酞菁环间形成的三明治结构就表现出单分子磁体的性质(N. Ishikawa Polyhedron 26, 2147–2153; 2007)。其它一些最多包含了三个镝离子的体系表现出一些独特性质，这与其各向异性大于交换相互作用的特性有关。这使得在没有净磁矩的情况下，我们可能可以在自旋排列的手性中存储信息。
这些结果体现了镝在分子磁学中的潜力；并且强调了这样一个事实：尽管涉及镧系元素的相互作用很弱，但它们的磁各向异性却可以产生崭新特性。这些特性如今在分子自旋电子学的框架里得到了积极的研究——为了探索利用这些分子开发新电子产品的可能性。然而，想要实现使用这些分子的新的自旋电子应用，就必须通过详细的量子力学研究来理解并解释稀土元素的电子和磁性结构。
回到最初的那个问题，“为什么我们要对镝感兴趣？”已经变成了“为什么我们要对磁各向异性感兴趣？”。我一贯认为，化学家必须解决关于结构性质关联的所有问题。比如，合理解释在发现分子磁性现象时出现的金属离子室温下的非常规的磁矩。我们需要有针对更复杂的现象的阐释以及更好的化学理论，以将磁各向异性这样的概念转化为实际应用。
原文以Anisotropic dysprosium为标题发表在 2011年9月23日的《自然-化学》In your element版块上
© nature
nchem | doi: 10.1038/nchem.1157
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