Wybrane zagadnienia z fizyki magnetyków molekularnych o różnej wymiarowości opartych na metalach d-elektronowych

Abstract

Multifunkcjonalne magnetyki molekularne to klasa materiałów metalo-organicznych o unikalnych właściwościach fizycznych, które mogą potencjalnie przyczynić się do rozwoju nowoczesnej technologii. W szczególności prowadzone są badania w kierunku spintroniki, chłodzenia magnetycznego albo bistabilnych przełączników magnetycznych reagujących na zewnętrzne bodźce takie jak światło, ciśnienie albo wilgoć. Aktualne prace skupiają się na aspekcie eksperymentalnym, umożliwiającym wyznaczenie istotnych parametrów związków molekularnych, oraz teoretycznym, pozwalającym zrozumieć korelacje magneto-strukturalne i zastosować je podczas projektowania kolejnych związków, które mają charakteryzować się pożądanymi właściwościami. Głównym celem niniejszej rozprawy doktorskiej jest przedstawienie wybranych teoretycznych metod badań właściwości magnetycznych magnetyków molekularnych bazujących na metalach d-elektronowych oraz ich praktyczne zastosowanie do opisu trzech niskowymiarowych typów związków molekularnych. Pierwsze dwa wybrane modele, metoda ścisłych obliczeń kwantowych oraz przybliżenie pola molekularnego (MFA), opisane są w sposób ogólny umożliwiający wykorzystanie ich dla dowolnego innego układu magnetycznego. W szczegółowy sposób uwzględniono również przykłady wykorzystania tych metod dla konkretnych układów. Dwa kolejne modele to wariacyjna metoda klastrów w przybliżeniu par (CVMPA) oraz klasyczno-kwantowy model jednowymiarowego łańcucha, które w niniejszej pracy rozpatrywano, odpowiednio, dla dwuwymiarowego układu spinów S = 1/2 z anizotropią typu XY oraz jednowymiarowego łańcucha, w którym jony o wysokim spinie ułożone są naprzemiennie z układem dwóch jonów o spinie S = 1/2. W części pracy dotyczącej badań rzeczywistych magnetyków molekularnych opisano zależność podatności magnetycznej łańcucha molekularnego składającego się z jonów Fe(III) oraz Cu(II) za pomocą trzech różnych modeli. Następnie zasymulowano efekt fotomagnetycznych trzech związków molekularnych pochodzących z jednej rodziny, w tym dwóch enancjomerów, bazujących na jonach Mo(IV) oraz Cu(II). Wykorzystano w tym celu dwa modele zakładające niską i wysoką efektywność naświetlania próbek światłem. W części ostatniej, porównując wyniki z modeli MFA oraz CVMPA, wytłumaczono źródło pochodzenia odwrotnego efektu magnetokalorycznego w monokrysztale, w strukturze którego obserwuje się quasi-dwuwymiarowe warstwy spinów S = 1/2 pochodzące od jonów W(V) oraz Cu(II).

Multifunctional molecular magnets form a class of metal-organic materials with unique physical properties that can potentially contribute to the development of modern technology. In particular, recent studies focus on progress in spintronics, magnetic cooling, or bistable magnetic switches that respond to external stimuli such as light, pressure, or humidity. Current research efforts involve both experimental and theoretical aspects of molecular magnetism with the aim of determining crucial parameters of molecular compounds and understanding magneto-structural correlations to be used in designing new systems with desired specific properties. The main objective of this dissertation is to present the selected theoretical methods of study of the magnetic properties of d-electron molecular magnets and show their practical applications in characterisation of three low-dimensional types of molecular compounds. The first two selected models, exact diagonalization of Hamiltonian and the molecular field approximation (MFA), are generally described allowing their use in other magnetic systems. Detailed examples of using these methods for specific cases are also included. Two further models are the variational cluster method in pair approximation (CVMPA) and the classical-quantum one-dimensional chain model, which in this work are considered, respectively, for a two-dimensional system of S = 1/2 spins with XY-type anisotropy and a one-dimensional chain in which high spin ions are arranged alternately with a system of two S = 1/2 spin ions. In the part of the dissertation dedicated to studying actual molecular magnets, the dependence of the magnetic susceptibility of a molecular chain consisting of Fe(III) and Cu(II) ions was described using three different approaches. Then, the photomagnetic effect was simulated for three molecular compounds from the same family, including two enantiomers, based on Mo(IV) and Cu(II) ions. Two models were considered: assuming low and high light irradiation efficiency. Finally, the origin of the inverse magnetocaloric effect in a single-crystal, whose structure consists of quasi-two-dimensional layers of S = 1/2 spins from W(V) and Cu(II) ions, is explained by comparing the results from the MFA and CVMPA models.