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Nanomagnete

Auf der Suche nach neuen magnetischen Materialien treten verstärkt molekulare Materialien in den Vordergrund, die mit den Methoden der präparativen Chemie hergestellt werden können.

Dabei sind polynukleare Metallkomplexe, die vergleichsweise wenige Metallionen in einem Molekül vereinigen, von besonderem Interesse, da sie einerseits magnetische Eigenschaften zeigen, die deutlich von denen isolierter Metallkomplexe abweichen, andererseits jedoch so klein sind, dass sie in vielen Fällen durch exakte numerische Rechnungen beschrieben werden können.

Dabei ergibt sich als Fragestellung der Zusammenhang zwischen dem Magnetismus der Nanomagnete und der magnetischen Struktur der Metallionen sowie den Eigenschaften der magnetischen Kopplung.

Die Schwerpunkte der Arbeiten bilden Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der Elektronenspinresonanz (ESR), welche durch Simulationen der Messergebnisse und numerische Modellierung der molekularen Spinsysteme ergänzt werden.

Die folgenden Abbildungen illustrieren die Arbeiten zu diesem Themenkreis am Beispiel der Substanz Fe6(tea)6 (A. Geißelmann und P. Klüfers).

Praxis

Strukturdarstellung von Fe6(tea)6Nanomagnete hoher Symmetrie sind für detaillierte Untersuchungen besonders geeignet. Im Molekül Fe6(tea)6 (tea: triethanolaminato(-3))sind sechs Eisen(III)-Ionen antiferromagnetisch zu einem verknüpft.

magnetische Suszeptibilität von Fe6(tea)6Die magnetische Suszeptibilität von 6(tea)6 folgt für Temperaturen oberhalb ~ 70 K dem Verlauf, der für eine Kette antiferromagnetisch gekoppelter Eisenionen erwartet werden kann.

Erst bei tieferen Temperaturen werden die molekularen Details sichtbar.

Die rote Linie zeigt das Ergebnis einer Rechnung, bei der eine isotrope Austauschkopplung J der Spins 5/2 der Eisenionen angenommen wird.

Temperaturabhängigkeit der ESR-Resonanzen von Fe6(tea)6Diese Rechnung ergibt ein Energieniveauschema, das durch Messungen der ESR bestätigt werden kann.

Die Abbildung zeigt die Temperaturabhängigkeit der ESR-Resonanzen und deren Zuordnungen zu den Energieniveaus von Fe6(tea)6 (Vergrößerung).

Eine detaillierte Rechnung, welche die Anisotropie der einzelnen Eisenionen berücksichtigt, ergibt für die tiefsten Energieniveaus das links unten stehende Aufspaltungsschema, welches durch Messungen der ESR experimentell bestimmt werden kann.

Die rechte Abbildung zeigt als Beispiel die Messung der Aufspaltung des Terms S= 1. Die blaue Linie zeigt die für Fe6(tea)6 beobachteten Aufspaltungen an.

Aufspaltungsschema tiefsten Energieniveaus

Aufspaltungsschema des Terms S=1

→ weiterführende Literatur