Analiza numeryczna własności magnetycznych wielocentrowych klastrów molekularnych
Loading...
Date
2013-05-21
Authors
Antkowiak, Michał
Advisor
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Numerical analysis of magnetic properties of polynuclear molecular clusters
Abstract
Celem niniejszej pracy było przeprowadzenie analizy własności termodynamicznych wybranych nanomagnetyków molekularnych bazujących na pierścieniach złożonych z 8 i 9 jonów chromu, a także domieszkowanych jonami kadmu i niklu, przy użyciu realistycznych modeli kwantowych i wiarygodnych symulacji komputerowych. Użyliśmy metody ścisłej diagonalizacji dającej numerycznie dokładne wyniki. Wykorzystaliśmy symetrię molekuł oraz równoległe środowisko obliczeniowe w celu zniwelowania problemu diagonalizacji dużych macierzy. Porównując strukturę energetyczną molekuły Cr7Cd z wynikami eksperymentu EPR ustaliliśmy, że powinna być ona opisana przez model z anizotropią typu łatwej osi, dzięki któremu można uzyskać zgodne z eksperymentem wyniki podatności i namagnesowania oraz przerwy energetyczne dla najniżej leżących multipletów. Używając modelu z zaburzeniem jednego z wiązań uzyskaliśmy bardzo dobre dopasowanie do eksperymentalnych wyników podatności i namagnesowania dla molekuły Cr9. Obliczyliśmy również wskaźniki frustracji występującej w pierścieniach z nieparzystą liczbą spinów. Zaproponowaliśmy trzy nowe warianty modelu molekuły Cr8Ni otrzymane przez dopasowanie podatności oraz dokonaliśmy analizy jej struktury energetycznej. Pokazaliśmy występowanie różnych typów efektu magnetokalorycznego dla molekuł Cr9, Cr8 i Cr8Ni – normalnego, odwrotnego i mieszanego.
The aim of the thesis was to conduct the analysis of thermodynamic properties of the selected molecular nanomagnets based on the rings consisting of 8 and 9 chromium ions, as well as rings doped with cadmium and nickel ions using realistic quantum models and reliable computer simulations. We applied exact diagonalization method, which gives numerically accurate results. Its main bottleneck is the diagonalization time of large matrices, however we removed it by exploiting the symmetry of the compounds and implementing the method in the parallel computing environment. Comparing the energy structure of the Cr7Cd molecule with the results of EPR experiment we concluded that the system should be described by an easy axis anisotropy model. The new model describes well not only the susceptibility and magnetization but also the zero-field splitting of the energy levels of the lowest multiplets. We achieved a very good susceptibility and magnetization fit to the experimental results of Cr9 molecule using a model with a single bond defect. Within the model we analysed the indicators of magnetic frustration present in the rings with an odd number of spins. We proposed three new variants of the Cr8Ni molecule model fitting the experimental magnetic susceptibility data. Finally we studied three different molecular magnetic systems showing various types of the magnetocaloric effect.
The aim of the thesis was to conduct the analysis of thermodynamic properties of the selected molecular nanomagnets based on the rings consisting of 8 and 9 chromium ions, as well as rings doped with cadmium and nickel ions using realistic quantum models and reliable computer simulations. We applied exact diagonalization method, which gives numerically accurate results. Its main bottleneck is the diagonalization time of large matrices, however we removed it by exploiting the symmetry of the compounds and implementing the method in the parallel computing environment. Comparing the energy structure of the Cr7Cd molecule with the results of EPR experiment we concluded that the system should be described by an easy axis anisotropy model. The new model describes well not only the susceptibility and magnetization but also the zero-field splitting of the energy levels of the lowest multiplets. We achieved a very good susceptibility and magnetization fit to the experimental results of Cr9 molecule using a model with a single bond defect. Within the model we analysed the indicators of magnetic frustration present in the rings with an odd number of spins. We proposed three new variants of the Cr8Ni molecule model fitting the experimental magnetic susceptibility data. Finally we studied three different molecular magnetic systems showing various types of the magnetocaloric effect.
Description
Wydział Fizyki: Zakład Fizyki Komputerowej
Sponsor
Keywords
nanomagnetyki molekularne, molecular nanomagnets, symulacje komputerowe, computer simulations, ścisła diagonalizacja, exact diagonalization, model Heisenberga, Heisenberg model, własności termodynamiczne, thermodynamic properties