Molekulare Nanomagnete - Oliver Waldmann Group

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Vorl. #1 (21. Apr. 2009)
Molekulare Nanomagnete: Quantenphysik zum Anfassen (Wahlpflichtfach 2)
SS2009
Prof. Oliver Waldmann
Hochhaus Zi. 202
Tel.: 5717
Di. 9-11 Uhr, HS II
Do. 9-11 Uhr, SR II
Mi. 14-16 Uhr Übungen, SR I
Sprechzeiten: jederzeit
Vorläufiges Programm:
- Einleitung
- Allgemeiner Überblick über Magnetismus und magnetische Materialien
- Magnetismus einzelner Ionen I: Atome
- Magnetismus einzelner Ionen II: Ligandenfeldtheorie
- Magnetische Wechselwirkung
- Effektiver Hamiltonian
- Experimentelle Techniken
- Einzelmolekülmagnete: langsame Relaxation und Quantentunneln der Magnetisierung
- Inkohärentes vs. kohärentes Quantentunneln, Mesoskopische Quantenkohärenz
- Quantenphaseninterferenzeffekte
- Magnetische Grundzustände und elementare Spin-Anregungen
- Quantentunneln des Néel-Vektors
- Effekte der Spinfrustration
- Wechselwirkung mit der Umgebung I: Kernspins
- Wechselwirkung mit der Umgebung I: Phononen
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Vorl. #1 (21. Apr. 2009)
Molekulare Nanomagnete am Beispiel des Einzelmolekülmagneten Mn12
C
Mn12 chemische Formel: [Mn12O12(CH3COO)16(H2O)4]·2CH3COOH·4H2O
Metallkomplex = Metallionen + (organische) Liganden
Metallionen: magnetisch ⇒ magnetisches Molekül
Mn12:
Mn(III) (Mn3+):
Mn(IV) (Mn4+):
S=2
S = 3/2
V Cr Mn Fe Co Ni Cu
d3s2 d5s d5s2 d6s2 d7s2 d8s2 d10s
d4
d3
Typ des Metalions + Ladungszustand → Elektronenkonfiguration → Magnetismus von Ionen
CH3COOH: Acetat = Essigsäure = Ethansäure (IUPAC) = Lebensmittelszusatzstoff E260
MeCOOH
Oktettregel!
MeCO2H
Ac
4 5 6 7 8
O
OH
C N O F Ne
CH3COO-: deprotoniert
in wässeriger Lösung = Essig
O
O
Mn12
erste Synthese: Weinland, Fischer 1921
Kristallstruktur: Lis 1980
Magnetismus: Sessoli et al, 1993
chemische Bindungen:
stark:
- ionisch
- metallisch
- kovalent
- komplex
schwächer ⇒ ca. 3 Å Bindungsabstand
sehr farbig
schwach:
- Wasserstoffbrücken
- Van der Waals
- π-π (Wechselwirkung zwischen aromatischen Ringen)
Bindungsstärke:
→ Bindungslänge
→ optische Eigenschaften
→ mechanischer Eigenschaften
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Vorl. #1 (21. Apr. 2009)
Molekulare Nanomagnete:
- mag. Metallionen → Ursächlich für Magnetismus
- Liganden
→ Molekülstruktur
→ Spin (magnetische Anisotropie)
→ magnetische Wechselwirkungen!
Was bedeutet mag. Wechselwirkung
S1 = 1/2 + S2 = 1/2 → S = 0, 1
ferromagnetische Kopplung
antiferromagnetische Kopplung
S=1
S=0
|J|
J
S=1
S=0
→ Spins, Spinquantenzahlen, Spinkopplung, mag. Messgrössen, Quantenstatistik
magnetische Kopplung ≈ kT ⇒ dann wird es interessant (T = 50 mK ... 300 K)
→ quantisierte Eigenschaften direkt beobachtbar (=> QM zum Anfassen, Spins)
→ Energieskalen: Energiespektrum hat magnetische Anregungen im Bereich von kT, viel
niedriger als die elektronischen Anregungen (ca. eV)
C
Molekülkristall = Komplex + Kristallmoleküle und/oder Gegenionen
Bindungen der Moleküle im Kristall über schwache Bindungen
→
- optische Eigenschaften ≈ Molekül
- magnetische Eigenschaften ≈ Molekül
- "weiche" Kristalle
makroskopische Probe ⇒
Einzelmolekül-Eigenschaften
⇒ keine konventionellen
Magnete!!!!
Das sind Molekulare Nanomagnete:
- mag. Metalionen
→ Ursprung des Magnetismus
- organische Liganden
→ definierte Molekülstruktur
→ magnetische Wechselwirkung
- Molekülkristall
→ Moleküle magnetisch gut voneinander isoliert
Wann wichtig?
Energieskalen
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Vorl. #1 (21. Apr. 2009)
Grosse Klasse von Molekülen:
3x3 Grid:
Kritallmoleküle/
Gegenionen
miteingezeichnet
Cr8, Fe10, Mn84,
Warum sollte man das spannend finden?
Experimentell:
wohldefinierte Quantensysteme! (keine Form und Grössendispersion)
Physikalisch:
Übergang: Atom-Volumen, mikroskopisch – makroskopisch (mesoskopisch)
Übergang: quanten-mechanisch – klassisch (mesoskopische/makroskopische Quanteneffekte)
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Vorl. #1 (21. Apr. 2009)
Langsame Relaxation und Quantentunneln der Magnetisierung in Mn12
TB = Blocking-Temperatur
Mn12: TB ≈ 3.5 K
C
magnetische Wechselwirkungen: S = 10 bei tiefen Temperaturen
magnetische Anisotropie: Energiebarriere für Magnetisierungsumkehr
-9
+9
ΔE
-10
C
+10
⇒ langsame thermische Relaxation der Magnetisierung für T < TB,
C
„up“
C
→ magnetische Bistabilität auf molekularer Skala!
kleinster bekannter magnetischer Datenspeicher
um 1 bit Information zu speichern
⇒ resonantes Quantentunneln der Magnetisierung!
S = 10
M = -10, -9, ..., +9, +10
Energiebarriere ΔE = 65 K
Quantenphaseninterferenz in Fe8
Phase der Wellenfunktion ⇒ Quantenphaseninterferenzen (z.B. Doppelspaltexperiment)
C
zwei Tunnelwege, rechtsherum und linksherum, aber Wellenfunktion hat eindeutige Phase ⇒
Interferenz im Tunneln (destruktiv = Minima, konstruktiv = Maxima)
"magnetischer Doppelspaltversuch"
„down“