华中科技大学JACS | 穆斯堡尔谱学技术在反铁磁自旋链拓扑合成方面的应用

文摘   科学   2024-10-16 09:00   辽宁  

近日,华中科技大学卢红成研究员团队在 J. Am. Chem. Soc. 上报道了题为“Construction of Ideal One-Dimensional Spin Chains by Topochemical Dehydration/Rehydration Route”的最新研究成果。
研究内容
低维量子磁性材料因具有量子自旋液体等新奇量子现象以及与高温超导的相关性,近年来迅速成为研究前沿和热点,在超能量子计算和新型自旋电子器件等领域有着潜在的应用。一维海森堡自旋链材料因其为最简单的低维量子磁性材料,而首先得到重点关注和研究。虽然科学家目前已发展了包括固相、水/溶剂热、气相扩散、高压、离子热等在内的多种低维反铁磁性材料的合成手段,但是对于具有大自旋的一维海森堡自旋链材料的合成仍具有很大的挑战,这是因为在大自旋反铁磁自旋链中,即使是微弱的链间相互作用也会导致出现长程磁有序,抑制其强量子涨落行为。
本文要点
在这项研究中,该团队通过多步的脱水/再水合路线,构建了一种理想的一维 S=5/2 反铁磁自旋链。文中利用拓扑化学方法将 (2,2′-bpy)FeF3(H2O)·2H2O 脱水,生成一维的 FeF4N2 八面体链结构。穆斯堡尔谱作为表征手段之一,用于揭示材料中 Fe 的电子和磁性状态,并探测其自旋动力学。该研究还对不同的化合物进行同样处理,探索其他低维磁性材料的可能性。以下是使用穆斯堡尔谱得到的主要信息:
要点1.Fe 物种的电子结构变化分析

穆斯堡尔谱揭示了样品中Fe的高自旋状态,主要通过同质异构位移(δ)和四极分裂参数来确定 Fe3+ 的存在,并排除低自旋Fe物种的可能性。在室温下,材料的穆斯堡尔谱表现为清晰的双峰,反映了样品中铁原子的电子环境。这种分裂情况表明Fe3+离子处于高自旋态。

要点2.  反应过程中磁性相的演变:随着温度降低,特别是测量至 2.7 K,穆斯堡尔谱谱图保持为双峰结构,未出现分裂,表明体系没有长程磁性有序。这与文献中讨论的一维链系没有发生长程有序的假设一致。值得注意的是,尽管体系内存在较强的链内磁相互作用 ,穆斯堡尔谱揭示了自旋涨落依然存在。这为材料低温下磁性行为的研究提供了重要的实验证据。

要点3.  动态自旋涨落信息:通过 Blume 模型分析,穆斯堡尔谱显示样品的自旋涨落时间在 10-9至 10-12 秒之间,这一快速的自旋涨落速度与材料中缺乏长程有序的现象相吻合。这进一步支持了一维自旋链系统在低温下的量子涨落特性。


小结

本文中,穆斯堡尔谱提供了对Fe物种在低维磁性体系中的电子和磁性变化的深刻理解。未来可以将穆斯堡尔谱应用于更多低维自旋链系统中,结合其他原位表征技术,进一步研究自旋涨落、磁性相变等现象。此外,针对更复杂的拓扑化学反应过程,穆斯堡尔谱在揭示化学键断裂和重新形成对磁性材料的影响方面仍有很大潜力。

参考文献:

Construction of Ideal One-Dimensional Spin Chains by Topochemical Dehydration/Rehydration Route J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 12, 8320–8326.

文章链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c13902

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