Magnetische Wechselwirkungen quantenchemisch charakterisieren, Trendbericht Theoretische Chemie 2020, Teil 2

Abstract

Magnetische Wechselwirkungen quantenchemisch charakterisieren Magnetische Kopplungen entstehen durch quantenmechanische Wechselwirkungen zwischen ungepaarten Elektronen in einem Molekül, einem Cluster oder einem ausgedehnten Festkörper. Die Quantenchemie ist daher das Werkzeug der Wahl, um magnetische Kopplungen zu verstehen. Bis heute bleibt die quantitative Beschreibung und Analyse allerdings eine Herausforderung. Sie ist nur mit methodischen und technischen Entwicklungen aus den letzten Jahren zu bewältigen. Konzepte der theoretischen Magnetochemie Bevor sich Moleküle, Cluster oder Festkörperausschnitte quantenchemisch beschreiben ließen, beschrieb man gemessene magnetische Wechselwirkungen mit phänomenologischen Hamilton-Operatoren. 1) Dabei wird jedem magnetisch aktiven Zentrum (i, j) ein Spin zu-gewiesen (Abbildung 1a). Die Spins koppeln mit der Stärke J ij miteinander. Aus dieser magnetischen Kopplung ergeben sich die Spinzustände des Gesamtsystems, die als Spinleiter mit Sprossen S min bis S max dargestellt werden. Den Abstand der Sprossen bestimmen die Kopplungsstärke J ij und der Gesamtspin an den magnetischen Zentren. Diesen Zusammenhang drückt der Heisenberg-Dirac-van-Vleck(HDvV)-Hamilton-Operator aus. Sind die Spins benachbarter Zentren parallel ausgerichtet, spricht man von ferromagnetischer Kopplung mit dem Grundzustand S max. Sind die Spins antiparallel ausgerichtet, liegt antiferromagnetische Kopplung vor, und die Spinleiter wird umgedreht, sodass S min der Grundzustand ist (Abbildung 1b). Bei mehreren magnetisch aktiven Zentren gibt es mehrere Kopplungskonstanten J ij , die unterschiedliche Vorzeichen und Stärken haben können (Abbildung 1c).