吴骅教授和他的研究生近期利用配位场理论和密度泛函计算，研究了MgO (001)表面上各类吸附原子的电子结构和磁各向异性能(Magnetic Anisotropy Energy, MAE)。发现Ru和Os原子具有破记录的超大磁各向异性能。这一结果发表在Phys. Rev. Lett. 115, 257201 (2015)。

    低能耗、高密度和原子尺度的量子调控是未来信息存储器件的发展方向。信息的稳定存储需要大的磁各向异性能，这通常取决于三个因素：强烈的自旋-轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）、特殊的晶体场和大的轨道磁矩。由于晶体场会减弱甚至淬灭轨道磁矩，所以寻找合适的配位场变得很关键。最近，Rau等人通过一系列实验发现［Science 344, 988 (2014)］，吸附在MgO (001)表面的单个Co原子拥有巨大的MAE，达到了3d过渡金属原子的极限。

    Co原子稳定吸附在MgO (001)表面上O原子的顶位，它处于一个特殊的四方对称性配位场，其电子能级分布如图1(a)所示。由于较弱的配位场效应，洪特规则使Co 3d⁷呈现高自旋组态。特别地，由于轨道多重态效应，Co原子并非处在配位场理论所指示的轨道单态，而是处于具有轨道简并度的能量基态，如图1(b)所示。结果，SOC发生显著作用，使得Co原子产生达到原子极限的近3 m_B的轨道磁矩和近90 meV/Co的巨大MAE，它们都指向表面的法线方向。这部分结果很好地解释了Rau等人最近的实验发现。

    鉴于4d和5d过渡金属原子具有更强的SOC，我们旨在其中寻找具有超大MAE的材料。由于4d和5d轨道的退局域化和强配位场效应以及弱的洪特耦合能，低自旋组态的Rh和Ir原子（Co的同族元素）具有弱化的轨道简并度，如图1(c)所示，因而不是一个好的选择。与此形成强烈对比的是，Ru（4d⁶）和Os（5d⁶）原子正好处在中间自旋组态，如图1(d)所示；同时由于轨道多重态效应，它们与Co原子具有完全相同的轨道简并态。结果很自然，Ru和Os原子更强的SOC将产生超大的MAE。我们的计算发现，Ru和Os原子具有破纪录的MAE，分别为110 meV 和208 meV，如图2所示。这些结果为发展原子自旋器件和纳米尺度信息存储器件提供了新线索。