Very low-temperature magnetic relaxation processes of “butterfly” {Fe3TbO2} molecules

Автор(и)

  • A. Arauzo INMA. CSIC-Universidad de Zaragoza, Zaragoza E-50009, Spain
    Departamento de Física de la Materia Con-densada, Universidad de Zaragoza, Zaragoza E-50009, Spain     https://orcid.org/0000-0002-5999-341X
  • J. Rubín INMA. CSIC-Universidad de Zaragoza, Zaragoza E-50009, Spain
    Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos, Universidad de Zaragoza, Zaragoza E-50018, Spain     https://orcid.org/0000-0003-1029-3751
  • L. Badía-Romano Departamento de Física de la Materia Condensada, Universidad de Zaragoza, Zaragoza E-50009, Spain
  • J. Luzón INMA. CSIC-Universidad de Zaragoza, Zaragoza E-50009, Spain
    Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos, Universidad de Zaragoza, Zaragoza E-50018, Spain
  • F. Luis INMA. CSIC-Universidad de Zaragoza, Zaragoza E-50009, Spain
    Departamento de Física de la Materia Con-densada, Universidad de Zaragoza, Zaragoza E-50009, Spain     https://orcid.org/0000-0001-6284-0521
  • E. Burzurí Departamento de Física de la Materia Condensada, Universidad Autónoma de Madrid, Madrid E-28049, Spain https://orcid.org/0000-0002-8701-9745
  • J. Bartolomé INMA. CSIC-Universidad de Zaragoza, Zaragoza E-50009, Spain
    Royal Academy of Sciences of Zaragoza, Zara-goza E-50009, Spain     https://orcid.org/0000-0002-6517-1236

DOI (Low Temperature Physics):


https://doi.org/10.1063/10.0044341

Ключові слова:

single-molecule magnets, molecular magnetism, quantum tunneling of the magnetization, magnetic relaxation times

Анотація

Процеси релаксації магнітного моменту за наднизьких температур у молекулі типу «метелик» [Fe3Tb(µ3–O)2(CCl3COO)8 (H2O)(THF)3], {Fe3TbO2}, досліджено за допомогою поєднання вимірювань теплоємності та змінної (ас) магнітної сприйнятливості як за нульового магнітного поля, так і прикладеного магнітного поля. Теплоємність інтерпретовано в межах наближення, в якому субкластер Fe3 має повний спін SFe3 = 5/2, взаємодія лігандного поля Tb3+ (J = 6) описується за допомогою операторів Стівенса, а також враховується антиферомагнітна взаємодія Гейзенберга Fe3–Tb із JTbFe3/kB = –0.23 К. Зв’язані системи Fe3 (крамерсівська) та Tb (некрамерсівська) призводять до того, що кластер поводиться як крамерсівська електронна спінова система. За нульового прикладеного поля (H = 0) бар’єр одновісної анізотропії, зумовлений магнітним іоном лантаноїду (Tb3+), спричиняє два орбахівські процеси термічно активованого квантового тунелювання намагніченості (TAQTM). Перший шлях релаксації домінує в діапазоні найнижчих температур як процес TAQTM1 з енергією активації E1/kB = = 1.35(1) К. Оскільки іон Tb3+ повністю складається з ізотопів із ненульовим ядерним спіном (I = 3/2), процеси тунелювання від-буваються за участю електронно-ядерних надтонких шляхів. Коли система охолоджується нижче T = 0.17 К, домінує повільний прямий процес релаксації за участю акустичних фононів між розщепленими ядерними підрівнями основного стану. На цей останній процес впливає ефект фононного «вузького горла». Другий, більш швидкий процес TAQTM2 спостерігається за найвищих температур експерименту з енергією активації E2/kB = 3.70(1) К. Обидва процеси акти-вації можуть бути пов’язані з першим і другим збудженими енергетичними рівнями магнітного кластера. При охолодженні час релаксації переходить у режим квантового тунелювання намагніченості, який не залежить від температури і здійснюється через електронно-ядерні надтонкі шляхи. За температур вище 2 К, навіть за умов прикладання зовнішнього магнітного поля, час релаксації зменшується за межі експериментального часового вікна, що призводить до занадто швидких процесів релаксації. Отже, молекулу {Fe3TbO2} можна класифікувати як наномагніт, що виявляє властивості одномолекулярного магніту за субкельвінових температур.

Посилання

1. E. Burzurí and H. S. J. van der Zant, “Single-Molecule Spintronics,” in Molecular Magnets: Physics and Applications (Springer, Berlin, Heidelberg, 2014), p. 297.

2. M. N. Leuenberger and D. Loss, “Quantum computing in molecular magnets,” Nature 410, 789 (2001). https://doi.org/10.1038/35071024

3. M. Mannini, F. Pineider, C. Danieli, F. Totti, L. Sorace, Ph. Sainctavit, M.-A. Arrio, E. Otero, L. Joly, J. C. Cezar, A. Cornia, and R. Sessoli, “Quantum tunnelling of the magnetization in a monolayer of oriented single-molecule magnets,” Nature 468, 417 (2010). https://doi.org/10.1038/nature09478

4. M. Affronte and F. Troiani, “Potentialities of Molecular Nanomagnets for Information Technologies,” in Molecular Magnets: Physics and Applications (Springer, Berlin, Heidelberg, 2014), p. 249.

5. K. van Hoogdalem, D. Stepanenko, and D. Loss, “Molecular magnets for quantum information processing,” in Molecular Magnets: Physics and Applications (Springer, Berlin, Heidelberg, 2014), p. 275.

6. M. Evangelisti, “Molecule-Based magnetic coolers: Measurement, design and application,” in Molecular Magnets, Physics and Applications (Springer, Berlin, Heidelberg, 2014), p. 365.

7. V. Sirenko and J. Bartolomé, “Molecular spin relaxation of f-block metal complexes for quantum applications in a nutshell (review article),” Low Temp. Phys. 51, 517 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 579 (2025)]. https://doi.org/10.1063/10.0036442

8. V. Sirenko, F. Bartolomé Usieto, and J. Bartolomé, “The paradigm of magnetic molecule in quantum matter: Slow molecular spin relaxation,” Low Temp. Phys. 50, 431 (2024) [Fiz. Nyzk. Temp. 50, 477 (2024)]. https://doi.org/10.1063/10.0026056

9. V. Mereacre, D. Prodius, C. Turta, S. Shova, G. Filoti, J. Bartolomé, R. Clérac, C. E. Anson, and A. K. Powell, “The synthesis, structural characterization, magnetochemistry and mössbauer spectroscopy of [Fe3LnO2(CCl3COO)8H2O(THF)3] (Ln = Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Lu and Y),” Polyhedron 28, (2009).https://doi.org/10.1016/j.poly.2009.06.025

10. L. Badía-Romano, F. Bartolomé, J. Bartolomé, J. Luzón, D. Prodius, C. Turta, V. Mereacre, F. Wilhelm, and A. Rogalev, “Field-induced internal Fe and Ln spin reorientation in butterfly {Fe3LnO2} (Ln = Dy and Gd) single-molecule magnets,” Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 87, 184403 (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.184403

11. L. Badía-Romano, J. Rubín, F. Bartolomé, J. Bartolomé, J. Luzón, D. Prodius, C. Turta, V. Mereacre, F. Wilhelm, and A. Rogalev, “Intracluster interactions in butterfly {Fe3LnO2} molecules with the non-kramers ions Tb(III) and Ho(III),” Phys. Rev. B 92, 064411 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.064411

12. J. Bartolomé, G. Filoti, V. Kuncser, G. Schinteie, V. Mereacre, C. E. Anson, A. K. Powell, D. Prodius, and C. Turta, “Magnetostructural correlations in the tetranuclear series of {Fe3LnO2} butterfly core clusters magnetic and mössbauer spectroscopic study,” Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 80, 014430 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.014430

13. J. Rubín, L. Badía-Romano, F. Luis, V. Mereacre, D. Prodius, A. Arauzo, F. Bartoloméac, and J. Bartoloméac, “Magnetic chains of Fe3 clusters in the {Fe3YO2} butterfly molecular compound,” Dalton Trans. 49, 2979 (2020). https://doi.org/10.1039/C9DT04816B

14. J. Rubín, A. Arauzo, F. Bartolomé, D. Prodius, and J. Bartolomé, “Low-temperature magnetic interactions in the “butterfly”-type {Fe3GdO2} compound The persistence of magnetic chains,” Low Temp. Phys. 50, 446 (2024) [Fiz. Nyzk. Temp. 50, 494 (2024)]. https://doi.org/10.1063/10.0026057

15. H. W. Capel, “On the possibility of first-order phase transitions in ising systems of triplet ions with zero-field splitting,” Physica 32, 966 (1966). https://doi.org/10.1016/0031-8914(66)90027-9

16. M. E. Lines, “Local field effects in ionic conductors,” Phys. Rev. B 19, 1183 (1979). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.19.1183

17. I. Chatterjee, “Crystal-field effect on the transverse susceptibility in spin-S ising chains,” Phys. Rev. B 34, 7969 (1986). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.34.7969

18. C. Turta, D. Prodius, V. Mereacre, S. Shova, M. Gdaniec, Y. A. Simonov, V. Kuncser, G. Filoti, A. Caneschi, and L. Sorace, “The first specimen of tetranuclear (FeIII, LnIII) clusters assembled by carboxylate ligands: Synthesis, structure, mössbauer spectra, and magnetic properties of [Fe3EuO2(CCl3COO)8H2O(THF)3]THF,” Inorg. Chem. Commun. 7, 576 (2004). https://doi.org/10.1016/j.inoche.2004.02.025

19. M. J. Martínez-Pérez, J. Sesé, R. Córdoba, F. Luis, D. Drung, and T. Schurig, “Circuit edit of superconducting microcircuits,” Supercond. Sci. Technol. 22, 125020 (2009). https://doi.org/10.1088/0953-2048/22/12/125020

20. M. J. Martínez-Pérez, J. Sesé, F. Luis, D. Drung, and T. Schurig, “Note: Highly sensitive superconducting quantum interference device microsusceptometers operating at high frequencies and very low temperatures inside the mixing chamber of a dilution refrigerator,” Rev. Sci. Instrum. 81, 16108 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3280169

21. M. J. Martinez-Perez, J. Sese, F. Luis, R. Cordoba, D. Drung, T. Schurig, E. Bellido, R. de Miguel, C. Gomez-Moreno, A. Lostao, and D. Ruiz-Molina, “Ultrasensitive broad band SQUID microsusceptometer for magnetic measurements at very low temperatures,” IEEE Trans. Appl. Supercond. 21, 345 (2011). https://doi.org/10.1109/TASC.2010.2082479

22. N. F. Chilton, R. P. Anderson, L. D. Turner, A. Soncini, and K. S. Murray, “PHI: A powerful new program for the analysis of anisotropic monomeric and exchange-coupled polynuclear d- and f-block complexes,” J. Comput. Chem. 34, 1164 (2013). https://doi.org/10.1002/jcc.23234

23. A. Abragam and B. Bleaney, Electron Paramagnetic Resonance of Transition Ions (Oxford University press, Oxford, 1970).

24. E. Bartolomé, J. Bartolomé, S. Melnic, D. Prodius, S. Shova, A. Arauzo, J. Luzón, F. Luisb, and C. Turtac, “{Dy(α-fur)3}n from double relaxation single-ion magnet behavior to 3D ordering,” Dalton Trans. 42, 10153 (2013). https://doi.org/10.1039/c3dt51080h

25. A. Arauzo, A. Lazarescu, S. Shova, E. Bartolomé, R. Cases, J. Luzón, J. Bartoloméb, and C. Turtac, “Structural and magnetic properties of some lanthanide (Ln = Eu(III), Gd(III), and Nd(III)) cyanoacetate polymers: Field-induced slow magnetic relaxation in the Gd and Nd substitutions,” Dalton Trans. 43, 12342 (2014). https://doi.org/10.1039/C4DT01104J

26. E. Bartolomé, J. Bartolomé, S. Melnic, D. Prodius, S. Shova, A. Arauzo, J. Luzón, L. Badía-Romano, F. Luis, and C. Turtac, “Magnetic relaxation versus 3D long-range ordering in {Dy2Ba(α-fur)8}n furoate polymers,” Dalton Trans. 43, 10999 (2014). https://doi.org/10.1039/C4DT00538D

27. S. Gómez-Coca, S. Gómez-Coca, A. Urtizberea, E. Cremades, P. J. Alonso, A. Camón, E. Ruiz, and F. Luis, “Origin of slow magnetic relaxation in kramers ions with non-uniaxial anisotropy,” Nat. Commun. 5, 4300 (2014). https://doi.org/10.1038/ncomms5300

28. N. V. Prokof’ev and P. C. E. Stamp, “Low-temperature quantum relaxation in a system of magnetic nanomolecules,” Phys. Rev. Lett. 80, 5794 (1998). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.80.5794

29. N. Ishikawa, M. Sugita, and W. Wernsdorfer, “Quantum tunneling of magnetization in lanthanide single-molecule magnets: Bis(phthalocyaninato)terbium and bis(phthalocyaninato)dysprosium anions,” Angew. Chem. Int. Ed. 44, 2931 (2005). https://doi.org/10.1002/anie.200462638

30. N. Ishikawa, M. Sugita, and W. Wernsdorfer, “Nuclear spin driven quantum tunneling of magnetization in a new lanthanide single-molecule magnet: Bis(phthalocyaninato)holmium anion,” J. Am. Chem. Soc. 127, 3650 (2005). https://doi.org/10.1021/ja0428661

31. F. Luis, F. Mettes, M. Evangelisti, A. Morello, and L. J. de Jongh, “Approach of single-molecule magnets to thermal equilibrium,” J. Phys. Chem. Solids 65, 763 (2004). https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2003.11.013

32. F. Aquilante et al, “MOLCAS 7: The next generation,” J. Comput. Chem. 31, 224 (2010). https://doi.org/10.1002/jcc.21318

Downloads

Опубліковано

2026-05-27

Як цитувати

(1)
A. Arauzo, J. Rubín, L. Badía-Romano, J. Luzón, F. Luis, E. Burzurí, and J. Bartolomé, Very low-temperature magnetic relaxation processes of “butterfly” {Fe3TbO2} molecules, Low Temp. Phys. 52, 848–857, (2026) [Fiz. Nyzk. Temp. 52, 941–951, (2026)] DOI: https://doi.org/10.1063/10.0044341.

Номер

Том 52 № 7 (2026)

Розділ

Статті

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.