單分子磁體是一類具有強易軸各向異性的分子納米磁體，可以在特定溫度以下表現出磁滞等類似磁體的行為，是一種超順磁态。分子中僅含有一個金屬離子的單分子磁體通常被稱為單離子磁體，近20年來，人們通常可以使用各向異性很強的稀土離子來構築單離子磁體。稀土離子配合物往往具有較低的對稱性，因此很難從幾何結構上确定稀土離子的磁各向異性軸和4f電子雲的結構。

　　beat365官方网站高松教授，王炳武副教授和蔣尚達副研究員等近些年設計合成了大量稀土單離子磁體，并發展了多種方法研究稀土離子的磁軸取向。2010年該課題組報道了基于雙酮配體的稀土镝單離子磁體（Angew. Chem., Int. Ed., 2010, 49, 7448）。經過系統研究，蔣尚達副研究員發現在某些特殊對稱性下，晶體和分子的磁各向異性軸嚴格重合，通過單晶轉動實驗确定晶體的磁化率張量，進而求得晶體和分子的各向異性軸（Jiang SD., Wang BW., Gao S. (2014) Advances in Lanthanide Single-Ion Magnets. In: Gao S. (eds) Molecular Nanomagnets and Related Phenomena. Structure and Bonding, vol 164. Springer, Berlin, Heidelberg）。2015年，蔣尚達和高松教授通過該方法首次确定了雙酮類稀土單離子磁體的磁易軸取向，結果顯示實驗結果與量子化學從頭算以及晶體場分析的結果非常接近，該工作發表在英國皇家化學會的旗艦雜志《化學科學》上（Chem. Sci., 2015, 6, 4587）。

　　但是這種單晶磁化率測試的手段具有明顯的局限性，隻适用于極個别的對稱性情況，對于分子與晶體的各向異性軸不重合的情況下，無法嚴格确定分子磁軸取向（Chem.-Eur. J., 2013, 19, 13726）。為解決此問題，蔣尚達與丹麥Aarhus大學的Jacob Overgaard博士等合作，采用極化中子衍射（Polarized Neutron Diffraction）的方法，解決了任意空間群中低對稱性磁性離子的磁軸取向測定問題，該工作以封面文章的形式發表在《歐洲化學》雜志上，并被選為VIP文章（Chem.-Eur. J., 2018, 24, 16576）。

　　人們普遍認為稀土離子的強各向異性主要來自其未被淬滅的一階軌道角動量，通過旋軌耦合作用使得金屬離子的基态電子雲結構表現出各向異性，但這種電子雲的各向異性究竟是什麼形狀，其取向與磁各向異性方向有何關聯，人們仍不清楚。為此蔣尚達與Overgaard博士和澳大利亞墨爾本大學理論化學家Alessandro Soncini教授等合作，在日本SPring8同步輻射線站上以0.35埃的分辨率精細測定了基于雙酮配體的稀土镝單離子磁體的4f電子雲結構。該工作具有很高的實驗難度，因為在Dy³⁺離子所有的63個電子中，僅有4f軌道上的9個電子表現為非球形并且被外部滿殼層的4d和4s電子雲所屏蔽，而其餘的54個電子均表現為球形結構，相當于在陽光充沛的白天觀測星空。實驗結果顯示在這類雙酮單離子磁體中，Dy³⁺離子的電子雲呈現壓扁（oblate）的形狀，與理論物理學家的預期一緻，并且通過電子雲的形狀亦可模拟出基态波函數的組成，基于該研究我們可以得出結論，4f電子雲的各向異性形狀由于其波函數的混合并不具有嚴格的單軸對稱性，但Dy³⁺離子在強單軸各向異性時壓扁型結構可以近似為橢球型，該橢球的對稱軸與稀土離子的磁軸較為接近。該工作最近發表在《自然-化學》雜志上（https://doi.org/10.1038/s41557-019-0387-6），第一作者為高琛博士，在高松教授課題組獲得博士學位後前往Aarhus大學與Overgaard博士合作進行博士後研究，通訊作者為蔣尚達副研究員，Alessandro Soncini教授和Jacob Overgaard博士。

　　以上工作得到了國家自然科學基金委青年科學基金、優秀青年科學基金、創新群體項目以及科技部國家重點研發計劃的支持。