Untersuchung chiralitäts- und frustrationsbedingter Eigenschaften großer molekülbasierter Spinsysteme mittels Dynamischer Dichtematrix-Renormierungsgruppentheorie und verwandter Methoden

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Schnack
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252968872

Das grundlegende Ziel des Projektes besteht darin, dieSpektralfunktionen interessanter großer magnetischer Moleküle sowie molekülbasierter eindimensionaler Spinröhren im Grundzustand (T=0) sowie aus den tiefliegenden angeregten Zuständen, also bei sehr tiefen Temperaturen undangelegten Magnetfeldern zu untersuchen und mit Ergebnissen aus Inelastischen Neutronenstreuexperimenten (INS) zu vergleichen. Dabei geht es darum, die physikalischenEigenschaften zu verstehen und die Struktur des tiefliegenden Energiespektrums mit den Parametern des relevanten Hamiltonoperators zu korrelieren. Die Berechnung der Spektralfunktionen soll dabei in der Regel mit der Methode der Dynamischen Dichtematrix-Renormierungsgruppentheorie (DDMRG) oder mittels der Lanczos-Methode erfolgen. In einer Vorstudie konnten wir zeigen, dass sich mittels DDMRG eine bisher unerreichte Genauigkeit erzielen lässt, die es erlaubt, aus INS-Spektren den relevanten Hamiltonoperator und seine Parameter zweifelsfrei festzulegen. Mit Hilfe der theoretischen Methoden und in Zusammenarbeit mit unseren experimentellen Partnern sollen mehrere molekulare und molekülbasierte magnetische Substanzen untersucht werden. Zum einen sollen die hochinteressanten magnetischen Eigenschaften zweier Spinröhren, die einem aufgerollten Dreiecksgitter ähneln, genauer untersucht werden. Dazu gehört ein besseres Verständnis des Verhaltens im angelegten Magnetfeld unter Berücksichtigung einer möglichen Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung. Ebenfalls sollen die Moleküle {Mo72V30} und {W72V30} untersucht werden, die hochfrustrierte molekulare Analoga zum Kagome-Gitter darstellen. Diese neuen Vertreter der Keplerate haben den großen Vorteil, dass sich ihre Eigenschaften aufgrund des kleinen Vanadium-Spins von s=1/2 mit den angedachten Methoden quasi exakt berechnen lassen. Beide Systeme, die Spinröhren sowie die Keplerate, stellen hochfrustrierte Spinsysteme dar, deren Anregungsspektrum ungewöhnliche Eigenschaften aufweist. Zum einem sind chirale Anregungen möglich, zum anderen könnten Analoga fraktionalisierter Anregungen, wie sie z.B. im Kagome-Gitter existieren, realisiert sein. Im Anschluss sollen die Untersuchungen auf die entsprechenden Moleküle mit höherem Spin ausgedehnt werden.Einen weiteren Schwerpunkt sollen eindimensionale Helixsysteme bilden, die physikalisch sehr interessant sind und für deren Charakterisierung Neutronenstreuung hervorragend geeignet ist. Hier erwarten wir durch Anisotropie stabilisierte chirale magnetische Zustände. Um es in einem Satz zusammenzufassen, es sollen frustrations- und chiralitätsinduzierte Effekte an molekülbasierten Spinsystemen gesucht und untersucht werden.Neue interessante magnetische Moleküle unserer chemischen Kooperationspartner sollen umgehend in die Untersuchungen einbezogen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Japan, Schweiz
• Beteiligte Personen: Professor Leroy Cronin; Professorin Dr. Alysia Catherine Isabel Lake; Professor Eric McInnes, Ph.D.; Professor Dr. Achim Müller; Professor Dr. Hiroyuki Nojiri; Professor Dr. Christian Rüegg; Professor Dr. Alan Tennant; Professor Dr. Richard Winpenny