Spinanregungen und Dynamik in Molekularen Nanomagneten

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Waldmann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 84866817

In molekularen Nanomagneten sind etwa ein Duzend magnetischer Metallionen mittels organischer Liganden zu wohl definierten Strukturen zusammengefügt und über Heisenberg Austauschwechselwirkungen magnetisch gekoppelt. Diese Moleküle sind ideale magnetische Nanocluster da sie keine Formdispersion aufweisen, und erlauben es Einzelmoleküleffekte anhand von Messungen an Volumenproben zu bestimmen. Ziel dieses Projekts ist es, die neuartigen magnetischen Phänomene und komplexen Vielteilchenwellenfunktionen zu untersuchen, welche in diesen "null-dimensionalen" bzw. "mesoskopischen" Quantenspinsystemen auftreten. Im vorangegangenen Projekt erhielten wir für die Moleküle Fe9 und Mn12 wheel exzellente inelastische Neutronenstreudaten (INS). Deren Modellierung stellte sich jedoch aufgrund der Komplexität der beiden Systeme als höchst anspruchsvoll heraus. Wir werden unsere diesbezüglichen Anstrengungen weiterführen und das magnetische Model sowie die physikalische Interpretation des Magnetismus in diesen Molekülen entwickeln. Die ungerade Anzahl von Metallionen im antiferromagnetisch gekoppelten Ring Fe9 führt zu Spinfrustration, bei der wie unsere bisherigen Ergebnisse zeigen zusätzlich die Effekte einer Dzyaloshinski-Moriya-Kopplung mit zu berücksichtigen sind. Das Wechselspiel dieser beiden Aspekte und die physikalischen Konsequenzen daraus werden uns besonders interessieren. Das Einzelmolekülmagnet Mn12wheel zeichnet sich durch ungewöhnliche Quantentunnelübergänge zwischen Zuständen mit unterschiedlichem Gesamtspin aus, wobei der physikalische Mechanismus jedoch noch kontrovers diskutiert wird. Die Analyse unserer Messdaten wird ein tieferes Verständnis liefern und zur Aufklärung des Sachverhalts beitragen. Wir werden auch das Mn19 Moleküle untersuchen, welches sich durch den größten beobachteten Grundzustandspin von S = 83/2 hervorhebt. Es ist bisher nichts über die Spinanregungen bekannt, welche wir mittels INS messen werden. Erste vorläufige Ergebnisse weisen darauf hin, dass die spezielle Topologie der (ferromagnetischen) Kopplungen im Mn19 zu einer Anregung führt welche besser als eine "kollektive" Mode zu betrachten ist Gegensatz zu den in Spinclustern üblicherweise vorliegenden "diskreten" Anregungen.Darüber hinaus werden wir einen kürzlich beschriebenen Fe7 Cluster mit einer neuartigen Topologie der Austauschkopplungen untersuchen. Erste magnetische Messungen und Simulationen deuten darauf hin, dass in diesem Molekül eine sehr ungewöhnliche Spinfrustration realisiert ist. Wir werden die Spindynamik mittels der INS untersuchen und das geeignete physikalische Model entwickeln. Diese Systeme erlauben es uns das spannende Wechselspiel zwischen den Heisenberg Kopplungen und der Topologie der Kopplungspfade zwischen den Metallzentren aus verschiedenen Perspektiven zu beleuchten, und so zum tieferen Verständnis des Magnetismus in kleinen Quantenspinsystemen und molekularen Nanomagneten insbesondere beizutragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen