鐵性材料是凝聚態物理領域中的一個重要研究分支，在外場下極化且極化性質隨外場翻轉，同時產生滯后效應。目前常見的三種鐵性包括鐵磁性（自發磁化）、鐵電性（自發極化）和鐵彈性（自發應變），分別在外加磁場、電場和應力場作用下發生極化且隨外場變化而翻轉。鐵磁性、鐵電性分別打破了時間反演對稱性和空間反射對稱性，而鐵彈性的兩種對稱性均保持不變。根據理論推測，應該存在一種具有單序參量的材料，同時打破時間反演對稱性和空間反射對稱性，被稱為鐵環體材料（Ferrotoroidic materials），即第四種鐵性。鐵環體材料需要同時符合以下四個標準：i. 低于特定溫度的長程有序性；ii. 存在鐵環疇結構；iii. 存在相轉變溫度；iv. 在相轉變溫度附近宏觀磁化率顯著增強。經長達六十年的探索，實驗嚴格證實的鐵環體僅無機晶體材料LiCoPO4一例。由于磁性離子在幾何上并沒有呈現環形排布，LiCoPO4的鐵環矩凈值很低。形成鐵環矩的磁性離子Co2+之間并沒有超交換作用，形成的鐵環性不夠穩定。同時，LiCoPO4材料也無拓展性，不利于功能化修飾和實際應用。

本發明采用有機大環分子與錒酰離子配位，制備得到具有長程有序性的超分子軟鐵環體材料并對其進行了嚴格的實驗表征。同時對該軟鐵環體進行理論計算，揭示了其特性。該材料除了符合上述四項基本標準之外，還具有磁性中心幾何環狀排布的長程鐵環矩和磁性離子之間的超交換作用。因具有強鐵環序和可修飾拓展的特點，因而其應用性顯著提升。研究表明，通過錒系離子穩定的基態磁能級和錒酰離子之間的強超交換相互作用構筑了穩定的長程鐵環矩，在室溫下仍具有明顯的磁滯回效應。

圖1 本發明超分子軟鐵環體材料在3-6 K溫度范圍內的交流磁化率。

非頻率依賴的峰意味著材料具有強磁有序性。

圖2 本發明超分子軟鐵環體材料的磁滯回效應。

在300K仍然有明顯的磁滯回現象。