Spins Do -Experimenteller Magnetismus

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Sven Huber
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10.1.2018 Spins Do -Experimenteller Magnetismus

1 Spins Do -Experimenteller Magnetismus Martin Valldor IBM-Ahmed 1

2 Rückblick auf Geometrie als magnetischer Faktor Spins haben Dimensionsfreiheit und werden Ising (1D), XY (2D) oder Heisenberg (3D) spins genannt. Die magnetische Unterstruktur zusammen mit der Spinfreiheit ergeben die resultierende Eigenschaften. Kristallographische Symmetrien können geometrische Frustration hervorrufen. Man kann die magnetische Frustration beobachten und einigermaßen einschätzen. Die Abwesenheit von Symmetrie kann auch Spinszustände destabilizieren es kann eine elektromagnetische Wechselwirkung geben. c 1D 2

3 Flüssige und molekülare Magnete -isolierte magnetische Clusters im nicht-leitenden unmagnetischen Matrix 3

4 Ferroflüssigkeiten (FF) und Molekülarmagnete (MM) Kristallgitter mit magnetischen Clusters Flüssigkeit mit gelösten ferromagnetischen (Nano)Partikeln Motivation: Als Terapie für biologisches Gewebe Mögliche Bits im magnetischen Speicher. 4 Inhomogene Verteilung von magnetischen Ionen

-magneten Mikropartikel MM FF Nanopartikel Cluster Einzelspin Vor Magnetisierung

5 Von Groß bis Klein Makroskopisch Nanoskopsich Multi Domänen Einzelne Domänen Magnetische Momente S= Permanent -magneten Mikropartikel MM FF Nanopartikel Cluster Einzelspin Vor Magnetisierung Nach Magnetisierung (Anti-)Ferromagnete Miktomagnetism Superparamagnetism Spin-Glas Kondo 5

MM: der Aufbau MM Organische Moleküle MM nur

um das System zu vereinfachen werden die MM

6 MM: der Aufbau MM Organische Moleküle MM nur Dipol-Dipol WW Man kann den Abstand, indem auch die magnetiche WW, durch Chemie festlegen (die Konzentration von MM). um das System zu vereinfachen werden die MM soweit auseinander gebracht, dass keine WW entsteht. keine WW 6

7 Gross-Spin Modell oft für MM einsetzbar Mn 12 AC: 4 Mn 4 [Ar]3d 3 S=3/2 8 Mn 3 [Ar]3d 4 S=2 Spins gleicher Atome koppeln ferromagnetisch Spins verschiedener Atome koppeln antiferromagnetisch S = /2 = 10 Es ist deutlich einfacher den Molekülmagnet als ein Gesamtmoment zu betrachten mögliche Spinzustände: m = -10, -9,..., 9, 10 Wie könnte die erste Zustandsänderung aussehen? 7

8 Mn 12 AC: Mn 4 Ein Ising-Cluster Mn 3 B AC c Pulver Was bedeutet dies? [Mn 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 0) 4 O 12 ] 2CH 3 COOH 4H 2 0 B AC c T. Lis Acta Cryst. B 36 (1980) K 2.2 K 8 R. Sessoli, et al. Nature 365 (1993) 141

9 Ferrisches Rad 0.65 K Fe K [ Fe(OMe) 2 (0 2 CCH 2 Cl)] 10 K.L Taft, S.J. Lippard J.Am.Chem.Soc. 112 (1990) 9629 Was sind das für Stufen in der Magnetisierung? 9 D. Gatteschi, et al. Science 265 (1994) 1054

10 Noch ein Ising-Cluster Fe 8 -Cluster [Fe 8 O 2 (OH) 12 (tacn) 6 ] 8 8 Fe 3 [Ar]3d 5 S = 5/2 e g t 2g S tot = (6-2)*5/2 = 10 tacn = 1,4,7-Triazacyclononan C 6 H 12 (NH) 3 10 W. Wernsdorfer and R. Sessoli, Science 284 (1999) 133

Pc = phthalocyanin TBA = N(C 4 H 9 ) 4 1 H NMR N. Ishikawa, et al. J. Am.

11 Single ion molecular magnet SIMM z.b. Tb 3 (offen) [Pc 2 Tb] - TBA (geschlossen) verdünnung mit [Pc 2 Y] - TBA Pc = phthalocyanin TBA = N(C 4 H 9 ) 4 1 H NMR N. Ishikawa, et al. J. Am. Chem. Soc. 125 (2003) 8694 Tb 3 (f 8 ) S = 3 L = 3 11 F. Branzoli, et al. J. Am. Chem. Soc. 131 (2009) 4387

12 Was ist typisch für MM? 12

13 Thermische Relaxation -B ΔE=-DS² Energieniveaus vom MM mit S=10 bei angelegtem B-Feld D = Einzelionanisotropie 13

14 Magnetische Hysterese (MM) Hysterese Kurve eines Fe 8 -Cluster bei verschiedenen Temperaturen Energieniveaus eines MM mit S = 10 bei angelegtem H-Feld Unterhalb einer gewissen Temperatur bleibt die Hysterese gleich temperaturunabhängig 14

15 Tunneln zwischen Zuständen MM nach Landau-Zener Wenn nicht genügend thermische Energie vorhanden ist bleibt nur noch Tunneln. Tunneln P m, m Tunnelwahrscheinlichkeit 1 exp 2 g B 2 m, m m m dh 0 z / dt Also... Je grösser desto grösser ist P Je grösser dh/dt desto kleiner ist P ist Zeitabhängig d.h. von dh/dt abhängig 15

16 Feld-Geschwindigkeit (dh/dt) MM 16

17 Von Molekülen zu Flüssigkeiten 17

18 FF: der Aufbau Fe 3 O 4 Hydrofobe Umgebung Hydrofile Umgebung Tensid CH 3 -(CH 2 ) n -COOH Micell-mono-Schicht Alternativ: Micell-bi-Schicht Repulsionskraft Warum will man die Repusion haben? Hydrofile Umgebung I - N(C 2 H 5 ) 4 18

Warum sieht eine FF so aus im Feld PM PM Rosensweig-Instabilität Die Temperatur und das Feld erzeugen zusammen eine Oscillation of der Oberfläche Jochen Weilepp and Helmut R.

19 Warum sieht eine FF so aus im Feld PM PM Rosensweig-Instabilität Die Temperatur und das Feld erzeugen zusammen eine Oscillation of der Oberfläche Jochen Weilepp and Helmut R. Brand J. Phys. II France 6 (1996) Rosensweig, R. E Ferrohydrodynamics (Cambridge: Cambridge University Press), J.L. Neuringer, R.E. Rosensweig, Phys. Fluids 7(1964)

20 Die Benutzung von FF ein flüssiges dichtes Schloss Stabilsieren vom Lautsprechermagnet Ferromagnet FF FF Beweglicher Magnet Induktions-Spule 20 Liquids Research Limited Steve Tatarunis and Mike Klasco, audioxpress

21 Die Ausrichtung von Moleküle Tobacco mosaic virus (TMV) vermischt mit einer FF Los Alamon Science Summer 1990 Richtung vom angelegten Feld Kleinwinkelstreuung von Neutronen 21

Die Benutzung von FF - Kontrastmittel bei Magnetic Resonance Imaging (MRI) Defekte Blut-Gehirn-Barriere nach einer Apoplexie (Gehirnschlag) mit MRI.

22 Die Benutzung von FF - Kontrastmittel bei Magnetic Resonance Imaging (MRI) Defekte Blut-Gehirn-Barriere nach einer Apoplexie (Gehirnschlag) mit MRI. Links ohne und rechts mit Kontrastmittel. Nakamura1,, Naoki; Kotake,, Fumio (2000), Tumor-detecting capacity and clinical usefulness of SPIO-MRI in patients with hepatocellular carcinoma, 35, Journal of Gastroenterology 22

Die Benutzung von FF - für Krebsterapie SPION in einer Maus Die

Thermisch induzierte Necrosis (mittel AC B-Feld) Margarethe

Nanostructured Materials for Biomedical Applications, 2009:

23 Die Benutzung von FF - für Krebsterapie SPION in einer Maus Die Zellen haben FF(blau) aufgenommen Krebs- Gewebe gesundes Gewebe Thermisch induzierte Necrosis (mittel AC B-Feld) Margarethe Hofmann-Amtenbrink, et al. Nanostructured Materials for Biomedical Applications, 2009: ISBN: Editor: M. C. Tan in vivo: 40.4, 43.0 und 44.5 C bei 9, 10 und 10.5 mt (141 khz) 23

24 1E16 Die Benutzung von MM - ein Bit pro Molekül Speicherdichte [Bit/inch²] 1E15 1E14 1E13 1E12 1E11 1E10 1E09 1E08 1E07 1E Festplatte 1958 CD DVD Blu-ray Festplatte 2005 Perpendicular-Recording Perpendicular-Recording exp. MolMag theo. 2 Kbit/inch² 0,9 Gbit/inch² 2,2 Gbit/inch² 12,5 Gbit/inch² Gbit/inch² Gbit/inch² 421 Gbit/inch² 0,1-10 Pbit/inch² Festplatte1958 DVD Festplatte 2005 Perpendicular-Recording exp. CD Blu-ray Perpendicular-Recording MolMag theo Weitere Anwendungen: Quantencomputer Günstiger Ersatz für traditionelle Weichmagente (Mikrowellenbauteile, Elektromotoren) 24

25 Zusammenfassung FF und MM sind magnetische Clusters in flüssiger beziehungsweise fester Matrix. MM lassen sich mit einem Gesamt-Spin pro Cluster gut beschreiben. In MM können die Zustände der Clusters thermisch oder durch Tunneln ineinander überführt werden. Tunneln überwiegt bei tiefen Temperaturen. FF sind theoretisch schwer zu beschreiben aber die typische Igelformation im Feld entsteht durch magnetische Instabilität. MM könnten in der Zukunft als Speichermedium benutzt werden ein Bit pro Cluster. FF können öfter eingesetzt werden und wird bereits für Krebsterapie, Schlösser, Lautsprechen und als Kontrastmittel bei MRI benutzt. Nächste Woche 17.1.: Spinleitfähigkeit und Magnetowiderstand 25

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11.5.2016 Spins Do -Experimenteller Magnetismus Martin Valldor IBM-Ahmed Email: martin.valldor@cpfs.mpg.de 1 Rückblick auf LRO Temp. Feld J => Kampf um (Spin-) Ordnung oder Chaos. J Spin-spin-Wechselwirkungen