單分子磁鐵在外加磁場中﹐其磁滯曲線圖中出現單體自旋穿隧理論所無法解釋的部份。
自從自旋的觀念被引進量子力學的發展後﹐電子﹑原子或分子的自旋特性便一直是科學家
們研究的對象。近年來﹐研究自旋對固體中導電載子作用的自旋電子學( spintronics)
﹐更成為熱門的課題之一。然而﹐到目前為止﹐大部份的研究多是透過在巨觀尺度
(macroscopic)上觀察到的物理量(如電流) ﹐來推論在微觀尺度 (microscopic)上出於
少數或單體的效應。
而單分子磁鐵(SMM﹐single-molecule magnets)合成的發現﹐則將自旋的研究直接縮小
至分子大小的微觀尺度上。所謂的單分子磁鐵﹐乃是利用化學合成的方式﹐將數種
磁性原(分)子聚集在一起形成單一的化合物分子。如此合成的化合物分子不僅保有原來的
磁性(具有磁滯的特性﹐是巨觀尺度的效應)﹐並且其大小僅數至數十奈米﹐
極適合微觀尺度上的研究。
基於這個理由﹐法國的Wernsdorfer與其研究小組﹐選擇Mn4(一種單分子磁鐵﹐化學式為
[Mn4O3(OsiMe3)(Oac)3(dbm)3])作為他們實驗的樣品。在他們的實驗中﹐
Wernsdorfer等人對50個Mn4分子通以磁場以測量這些單分子磁鐵對外加磁場的反應。
在其實驗結果中﹐他們觀察到明顯的磁滯曲線﹐顯示這些Mn4分子具有典型磁性材料的特性
。然而﹐隨著進一步的分析﹐他們發現這些磁滯曲線還包含著一些異常的部份﹐是僅考慮
單一單分子磁鐵的自旋所無法解釋的。
為了解釋他們的研究結果﹐Wernsdorfer等人提出了一個假設﹕在外加磁場的影響之下﹐
因著彼此之間的交互作用﹐相鄰Mn4分子的自旋會產生集體穿隧(co-tunneling)的現象。
這裡所說的穿隧﹐乃是指自旋在因外加磁場所形成的Zeeman能階之間﹐為了選擇最低能量
而產生的躍遷。由於Mn4之間的交互作用﹐可將相鄰的兩個Mn4分子視為一個量子系統。
這整個系統的Zeeman能階圖﹐將會產生不同自旋的能階在某些磁場值交會的情形。
也就是說﹐在外加磁場中﹐原單一分子的能量基態(ground state)將不再保證是這雙Mn4
分子系統的能量基態。為了選擇處於能量基態﹐原Mn4上的兩個自旋將會一同產生躍遷﹐
伴隨著其大小﹑甚至自旋方向的改變。Wernsdorfer等人將這個效應稱為
spin-spin cross relaxation(SSCR)。在此種SCCR躍遷中﹐兩個自旋(不論其極化方向相反
或相同)會互換能階﹐或者各自轉換到不同的能量激發態(excited state) 再回復到基態。
使用spin-spin cross relaxation的假設﹐Wernsdorfer等人可以準確地解釋在磁滯曲線中
觀察到的異常部份﹐甚至可以在其數據中逐一找出相對應的能階交會處。由於他們的實驗
是在40mK的超低溫度﹐因熱激發所導致的自旋躍遷可以忽略﹐這間接地支持他們所提出的
spin-spin cross relaxation假設。根據他們從Mn4所得到的研究結果﹐Wernsdorfer等人
預期在其它已知的單分子磁鐵材料(如Fe8及Mn12)中也應當可以觀察到spin-spin cross
relaxation的存在。
Wernsdorfer等人的研究﹐可說是為自旋量子系統提供了一個更為完整的了解。而對於
有興趣研究其在spintronics﹐甚至quantum computing方面的應用的科學家而言﹐
如何能藉著外加磁(電)場來達成控制自旋大小及方向﹐則是需要努力的下一步。
原始論文：
W. Wernsdorfer et al.,
Spin-Spin Cross Relaxation in Single-Molecule Magnets,
Physical Review Letters 89, 197201
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※ 來源:‧南十字 crux.chem.nsysu.edu.tw‧[FROM: 211.21.215.243]