Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-4910
Authors: Hallak, Fadi el
Title: Magnetic anisotropy of molecular nanomagnets
Other Titles: Magnetische Anisotropie molekularer Nanomagnete
Issue Date: 2009
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-47297
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/4927
http://dx.doi.org/10.18419/opus-4910
Abstract: Magnetic anisotropy lies at the heart of the molecular magnetism field of research. It is the magnetic anisotropy which leads to slow relaxing magnetic moments in single molecule magnets. Furthermore, it plays a vital role in the process of macroscopic quantum tunneling of the magnetization. Consequently, the understanding of the magnetic anisotropy in molecular magnetic clusters can lead to a better understanding of the underlying physics of the magnetic and quantum behavior of molecular nanomagnets. In this Thesis, we have aimed at studying the magnetic anisotropy in diverse molecular magnetic systems. We have demonstrated the necessity of employing complementary techniques in studying the magnetic anisotropy in molecular magnets, where the information extracted from a single method may in some cases lead not only to an incomplete, but rather to an erroneous picture. Spectroscopy remains to date the most powerful method to investigate anisotropy in such systems. We have used frequency domain magnetic resonance to spectroscopically probe the spin fine structure of the ground state in molecular nanomagnets. However, not all systems are spectroscopically active, and spectroscopy may fail in systems with unfavorable spin-lattice relaxation times, large zero field splittings, or excessive dipolar broadening. Therefore, we have developed a torque magnetometry setup to either complement or replace spectroscopy in some systems. Finally, we combined both methods, thus creating a novel torque detected broad band ESR technique. In addition, we have investigated the interplay between the isotropic exchange interaction (J) and the single ion anisotropy (D), and how does that affect the magnetic as well as the quantum mechanical properties of the system. In the strong exchange limit (J>D), the giant spin model can nicely describe the properties of the system at low temperatures. This was demonstrated by using our newly developed torque detected ESR method to investigate an Fe4 system. Studying a family of Mn based compounds, we have seen that the anisotropy barrier is strongly modified in the intermediate exchange limit (J≈D), where the excited spin states play a crucial role in the magnetization relaxation by mixing into the spin ground state. On the other extreme of the coupling scheme, a dominant anisotropy term (D>J) leads to an unconventional energy scheme in an Fe(II) dimer. The system shows a field induced spin state crossing from the S=0 to the S=4 levels which is accompanied by a giant step in the magnetization. Moreover, the theoretical analysis demonstrated that this molecule is a very promising candidate for the direct observation of coherent tunneling in molecular nanomagnets. Finally, we performed high field torque magnetometric investigations to quantify the anisotropy in a molecular Dy3 triangle. This study has contributed to the understanding of magnetic anisotropy in lanthanide-based molecular magnets, which may lead to the development of improved single molecule magnets.
Die magnetische Anisotropie liegt im Fokus der Forschung an molekularen Magnetismus. Es ist die magnetische Anisotropie, die zu langsam relaxierenden, magnetischen Momenten in Einzelmolekülmagneten führt. Die Anisotropie spielt auch für das makroskopische Quantentunneln der Magnetisierung eine entscheidende Rolle. In solchen Systemen ist es deshalb äußerst wichtig, die Anisotropieparameter mit großer Genauigkeit zu bestimmen. Infolgedessen kann das Verständnis der magnetischen Anisotropie in molekularen magnetischen Clustern zu einem besseren Verständnis der grundlegenden Physik des magnetischen und Quantenverhaltens der Einzelmolekülmagneten führen. Ein Ziel dieser Arbeit ist es, die magnetische Anisotropie unterschiedlicher molekularer magnetischer Systeme zu studieren. Für die Untersuchung der magnetischen Anisotropie molekularer Magneten haben wir gezeigt, dass es notwendig ist mehrere komplemenätre Techniken zu verwenden, da die durch eine einzige Methode gewonnene Informationen nicht nur zu unvollständigen, sondern auch zu falschen Schlüssen führen kann. Spektroskopie ist die beste Methode, um die Anisotropie in solchen Systemen zu beobachten. Wir haben magnetische Resonanz (ESR) in der Frequenzdomäne benutzt, um die Spin-Feinstruktur des Grundzustandes in Nanomagneten spektroskopich zu untersuchen. Es sind aber nicht alle Systeme spektroskopisch zugänglisch und diese Methode könnte in Systemen mit ungünstigen Spin-Gitter-Relaxationszeiten, großer Null-Feld-Aufspaltung oder übermäßiger Dipol-Verbreiterung fehlschlagen. Wir benutzten deshalb in manchen Systemen auch Magnetometriemessungen komplementär oder als Ersatz für die spektroskopischen Messungen. Letztlich wurden beide Methoden zu einer Drehmoment detektierten ESR Technik kombiniert. Zusätzlich haben wir das Zusammenspiel der isotropen Austauschwechselwirkung (J) und der Einzel-Ionen-Anisotropie (D) untersucht sowie dessen Einfluss auf die magnetischen und quantenmechanischen Eigenschaften des Systems. Im Grenzfall starker Wechselwirkungen (J>D) beschreibt das Modell eines Gesamtspins (giant-spin-model) die Eigenschaften eines Systems bei tiefen Temperaturen sehr gut. Dies konnte durch den Einsatz einer neu entwickelten Drehmoment detektierte ESR Methode an einem Fe4 System gezeigt werden. Anhand der Untersuchungen an zwei unterschiedlichen Varianten von Mn6 haben wir beobachtet, dass die Anisotropiebarriere im Grenzfall mittlerer Austauschwechselwirkungen (J≈D) stark modifiziert ist. In diesem Bereich spielen die angeregten Spinzustände eine entscheidende Rolle in der Magnetisierungsrelaxation. In dem anderen Extremfall der Kopplungsstärke führt ein dominanter Anisotropieterm (D>J) zu einem unkonventionellen Energieschema in einem Fe (II) Dimer. Das System weist einen vom Feld induzierten Spinzustandsübergang von S=0 zu S=4 auf, der von einem enormen Anstieg in der Magnetisierung begleitet wird. Ausserdem haben die theoretischen Analysen gezeigt, dass dieses Molekül ein vielversprechender Kandidat für die direkte Beobachtung von kohärentem Tunneln in molekularen Nanomagneten ist. Abschliessend haben wir Drehmoment-Magnetometriemessungen in Hochfeldlaboratorien durchgeführt, um die magnetische Anisotropie in einem molekularen Dy3 Dreieck zu bestimmen. Diese Untersuchung hat viel dazu beigetragen, das Verständnis der magnetischen Anisotropie der lanthanide- basierten Systeme zu erweitern, was wiederum zur Entwicklung von besseren Einzelmolekülmagneten führen kann.
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