بررسی تحلیلی پدیده تونل زنی اسپین با درنظرگرفتن برانگیختگی‌های دوقطبی در آهن‌ربای تک ملکولی Mn12

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران

چکیده

پدیده تونل زنی اسپین در آهن‌ ربای تک ملکولی Mn12 با استفاده از روش محاسبه اینستانتونی مطالعه و از حالت‌ همدوس در پارامتر حقیقی در گروه SU(2) به عنوان تابع اولیه استفاده شده است. برای این آهن‌ ربای تک ملکولی، شکافتگی ترازهای انرژی حاصل شده ( پله های حلقه پسماند مغناطیسی ) مربوط به جمله‌ای در کنش کلاسیکی می‌باشد که از فاز بری نتیجه می‌شود و این جمله باعث تداخل بین مسیرهای تونل‌ زنی (اینستانتون‌ها) می‌شود. در محاسبات تحلیلی انجام شده، از فرض خطی بودن جواب‌های اینستانتونی بر حسب میدان مغناطیسی اعمالی استفاده شده و مشاهده می‌شود تعداد نقاط خاموش شوی پدیده تونل زنی مغناطیسی ، که همان تعداد پله ها در حلقه پسماند مغناطیسی می باشد، با تعداد نقاط بدست آمده از محاسبات عددی برابر است. البته موقعیت نقاط ( اندازه‌ی میدانی که در آن دامنه تونل زنی صفر می شود) متفاوت است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Analytical study of the spin tunneling effect by considering dipole excitations in single-molecular magnet Mn12

نویسندگان [English]

  • Yousef Yousefi
  • Fathemah Ramezanpoor
  • Mohammad Reza Benam
Department of Physics, Faculty of Science, Payame Noor University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Spin tunneling effect in Single Molecule Magnet Mn12 is studied by instanton calculation technique using SU(2) spin coherent state in real parameter as a trial function. For this SMM, tunnel splitting ( steps in hysteresis loop) arises due to the presence of a Berry phase in action, which causes interference between tunneling trajectories (instantons). In the analytical calculation, the assumption of the linearity of the instanton solution in term of applied magnetic field is used. It is observed that the number of quenching points of magnetic tunneling, the number of steps in hysteresis loop, are equal to the number of points obtained from numerical calculation. Of course, the position of the points (the magnitude of the field in which the tunneling amplitude is zero) is different.

کلیدواژه‌ها [English]

  • coherent state
  • Spin Tunneling
  • Instanton
  • dipole Excitation
[1] R. Sessoli, H.L.Tsai, A.R. Schake, S. Wang, J.B. Vincent, K. Folting, D. Gatteschi, G. Christou, D.N. Hendrickson High-spin molecules [Mn12O12(O2CR)16(H2O)4], Journal of the American Chemical Society 115 5(1993) 1804-1816.

[2] R. Sessoli, D. Gatteschi, A. Caneschi, M.A. Novak, Magnetic bistability in a metal-ion cluster, Nature 365 (1993) 141.  https://doi.org/10.1038/365141a0

[3] M.A. Novak, R. Sessoli, A. Caneschi, D. Gatteschi, Magnetic properties of a Mn cluster organic compound, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 146 (1995) 211.  https://doi.org/10.1016/0304-8853(94)00860-4

[4] J.R. Friedman, M.P. Sarachik, J. Tejada, J. Maciejewski, R. Ziolo, Steps in the hysteresis loops of a high‐spin molecule, Journal of Applied Physics 79 (1996) 6031. https://doi.org/10.1063/1.361837

[5] J.R. Friedman, M.P. Sarachik, J. Tejada, R. Ziolo, Macroscopic Measurement of Resonant Magnetization Tunneling in High-Spin Molecules, Physical Review Letters 76 (1996) 3830. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.3830

[6] J.M. Hernandez, X.X. Zhang, F. Luis, J. Tejada, J.R. Friedman, M.P. Sarachik, R. Ziolo, Evidence for resonant tunneling of magnetization in Mn12 sacetate complex, Physical Review B 55 (1997) 5858. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.55.5858

[7] D. Loss, D.P. DiVincenzo, G. Grinstein, Quantum tunneling and dissipation in nanometer-scale magnets, Physica B 189 (1993) 189-203. https://doi.org/10.1016/0921-4526(93)90160-8

[8] L. Thomas, F. Lionti, R. Ballou, D. Gatteschi, R. Sessoli, B. Barbara, Macroscopic quantum tunnelling of magnetization in a single crystal of nanomagnets, Nature 383 (1996) 145. DOI:10.1038/383145a0

[9] J. Tejada, R. Ziolo, X.X. Zhang, Quantum Tunneling of Magnetization in Nanostructured Materials, Chemistry of Materials, 8 (1996) 1784. https://doi.org/10.1021/cm9602003

[10] J.R. Friedman, M.P. Sarachik, Single-Molecule Nanomagnets, Annual Review of Condensed Matter Physics, 1 (2010) 109–128. https://doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-070909-104053

[11] M.S. Foss-Feig, J.R. Friedman, Geometric-phase-effect tunnel-splitting oscillations in single-molecule magnets with fourth-order anisotropy induced by orthorhombic distortion, EuroPhysics Letters, 86 2 (2009). Doi:10.1209/0295-5075/86/27002

 [12] Y. Yousefi, Kh. Kh. Muminov, Semi classical description of isotropic Non-Heisenberg magnets for spin S=3/2 and linear quadrupole excitation dynamics, Iranian Journal of Physics Research, 12 2(2012) 179-183. http://ijpr.iut.ac.ir/article-1-1071-en.html

[13] B. Felsager, Geometry Particls and Fields, Springer, New York, (1998)

[14] E.M. Chudnovsky, L. Gunther, Quantum tunneling of magnetization in small ferromagnetic particles, Physical Review Letters, 60 8 (1988) 661–664. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.60.661

[15] E.M. Chudovsky, X. Martinez, Non-Kramers freezing and unfreezing of tunneling in the biaxial spin model, Europhysics Letters, 50 3 (2000) 395–401. 10.1209/epl/i2000-00282-0

[16] A. Garg, Topologically Quenched Tunnel Splitting in Spin Systems without Kramers Degeneracy, Europhysics Letters 22 (1993) 205. https://doi.org/10.1209/0295-5075/22/3/008