xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Αντισυμμετρική Ανταλλαγή σε Μοριακά Μαγνητικά Υλικά.
Γιάννης Σανάκης 1* , Αθανάσιος Μπούνταλης, 1 Αικατερίνη Ραπτοπούλου, 1 Βασίλειος Ψυχάρης, 1 και Σπυρίδων Περλεπές 2
1 Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος»
2 Τμήμα Χημείας, Παν. Πατρών
*sanakis@ims.demokritos.gr
Οι μαγνητικές ιδιότητες μοριακών ενώσεων οι οποίες αποτελούνται από πεπερασμένο αριθμό ιόντων μετάλλων μετάπτωσης
με μη συμπληρωμένα τροχιακά 3d και τα οποία γεφυρώνονται με υποκαταστάτες όπως καρβοξυλικά ανιόντα, O 2- κλπ
βρίσκονται στο επίκεντρο μελετών για αρκετές δεκαετίες. Την τελευταία δεκαετία η έρευνα σε τέτοια συστήματα έχει
εντατικοποηθεί, μετά την ανακάλυψη ότι μερικά από αυτά παρουσιάζουν εντυπωσιακή μαγνητική συμπεριφορά. Για
παράδειγμα η ένωση Mn 12 -acetate και παράγωγά της παρουσιάζει μαγνητική υστέρηση και αργή χαλάρωση της μαγνήτισης
σε θερμοκρασίες υγρού ηλίου [1]. Τα φαινόμενα αυτά δεν οφείλονται σε αλληλεπιδράσεις μακράς εμβελείας (δια-μοριακές
αλληλεπιδράσεις) όπως στα συμβατικά μαγνητικά υλικά (κράμματα, οξείδια) αλλά στις ενδογενείς ιδιότητες του μορίου
(ενδο-μοριακές). Έτσι μπορούν να θεωρηθούν ως μαγνητικά υλικά μηδενικής διάστασης. Πέρα από ενδεχόμενες
τεχνολογικές εφαρμογές [2] τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν ενδιαφέρουσες φυσικές ιδότητες οι οποίες αποτελούν πεδίο
εκτεταμένης διερεύνησης [3].
Γενικά, η μαγνητική συμπεριφορά απομονωμένων πολυ-πυρηνικών μορίων καθορίζεται κυρίως από την ισοτροπική
αλληλεπίδραση ανταλλαγής Heisenberg-Dirac-van Vleck μεταξύ του πεπερασμένου αριθμού των ιόντων μετάπτωσης:
H HDvV = Σ J ij S i • S j (εξίσωση 1)
Όμως, ανισοτροπικές αλληλεπιδράσεις οι οποίες προέρχονται από τη σύζευξη σπιν-τροχιάς (π.χ. δίασχιση σε μηδενικό
πεδίο, zero field splitting (zfs)) και διπολικές αλληλεπιδράσεις διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της
μαγνητικής συμπεριφοράς τέτοιων ενώσεων. Για παράδειγμα ο όρος zfs επιδρά κατά κύριο λόγο στη διαμόρφωση του
ενεργειακού φράγματος για την αντιστροφή της μαγνήτισης που παρατηρείται στους μονομοριακούς μαγνήτες (Single
Molecule Magnets, SMM) όπως είναι οι ενώσεις της οικογένειας Mn 12 -acetate [1]. Έτσι, η εξίσωση 1 πρέπει να επαυξηθεί
κατάλληλα για να ληφθούν υπόψιν οι όροι αυτοί.
Ο προσδιορισμός των ανισοτροπικών αλληλεπιδράσεων είναι ιδιαίτερα σημαντικός για τη σωστή ερμηνεία της
μαγνητικής συμπεριφοράς τέτοιων υλικών. Στην παρούσα εργασία θα μας απασχολήσει πώς η ύπαρξη ανισοτροπικών
μαγνητικών αλληλεπιδράσεων και ιδιαίτερα η αλληλεπίδραση αντισυμμετρικής ανταλλαγής (ή αλληλεπίδραση
Dzyaloshinsky-Moriya) [4], [5] (εξίσωση 2) μπορεί να ταυτοποιηθεί σε τέτοια μοριακά μαγνητικά συστήματα με μετρήσεις
μαγνητικής επιδεκτικότητας (Σχήμα 1) και φασματοσκοπικές τεχνικές όπως EPR (Ηλεκτρονικός Παραμαγνητικός
Συντονισμός) και Mössbauer.
H D-M = d 12 •S 1 x S 2 + d 23 •S 2 x S 3 + d 31 •S 3 x S 1 (εξίσωση 2)
Συγκεκριμένα μελετούμε τρι-πυρηνικά σύμπλοκα του γενικού τύπου {Μ 3 Ο(Η)} n+ όπου M= Cu 2+ (s = 1/2), Cr 3+ (s = 3/2),
Fe 3+ (s = 5/2). Οι μελέτες μας δείχνουν ότι εκτός από τον όρο H D-M σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση των μαγνητικών
ιδιοτήτων σε αυτές τις ενώσεις διαδραματίζουν και κατανομές στις τιμές των σταθερών J ij (J - strain).
Σχήμα 1. Εξάρτηση της μοριακής μαγνητικής επιδεκτικότητας από τη θερμοκρασία (χΤ vs T) από δείγμα σκόνης
ένωσης η οποία περιέχει τον πυρήνα {Cu 3 ΟΗ}. Η εστιγμένη γραμμή αντιστοιχεί σε θεωρητική εξομοίωση των
πειραματικών δεδομένων βάσει της εξίσωσης 1 (με i, j ≤ 3) και η συνεχής γραμμή θεωρητική εξομοίωση
επαυξάνοντας την εξίσωση 1 με τον όρο H D-M (εξίσωση 2).
[1] Christou G, Gatteschi D., Hendrickson D. N., Sessoli R., MRS Bull. 25 (2000), 66.
[2] Leuenberger M. N., Loss D., Nature 410 (2001) 789.
[3] Friedman J. R., Sarachik M. P., Tejada J., Ziolo R., Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 3830.
[4] Dzyaloshinsky I.E. Sov. Phys. JETP 5 (1957) 1259.
[5] Moriya T. Phys. Rev. 120 (1960) 91.
124