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Spindynamik dotierter Zinncluster im Molekularstrahl

Fuchs, Thomas Michael (2021):
Spindynamik dotierter Zinncluster im Molekularstrahl. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019373,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Spindynamik dotierter Zinncluster im Molekularstrahl
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit werden die magnetischen Eigenschaften kleiner, legierter Metallcluster, bestehend aus etwa einem Dutzend Atomen, durch experimentelle Methoden und theoretische Modelle studiert. Der Fokus liegt dabei auf der Größe des magnetischen Moments und der Dynamik des elektronischen Spins in Abhängigkeit der Parameter Clustergröße, -zusammensetzung, -symmetrie und Hyperfeinkopplung. In Molekularstrahlexperimenten im Hochvakuum lassen sich die intrinsischen Eigenschaften von Clustern definierter Größe und Zusammensetzung isoliert von äußeren Einflüssen wie intermolekularen Wechselwirkungen oder einem Substrat untersuchen. Die Ablenkung neutraler Teilchen in einem inhomogenen Magnetfeld nach Stern und Gerlach erlaubt die Messung des magnetischen Moments. Doppelablenkexperimente mit zwei hintereinander geschalteten Ablenkfeldern ermöglichen die Untersuchung der Spindynamik bei einer Änderung der magnetischen Flussdichte. Zudem werden mithilfe eines Modells auf Basis verbotener Kreuzungen zwischen den Spinmikrozuständen die experimentellen Beobachtungen auf physikalische Zusammenhänge zurückgeführt. Der g-Faktor des endohedral dotierten, ikosaedrischen Käfigclusters MnSn12 entspricht dem des freien Elektrons mit g = 2,0. Für das endohedrale AlSn12 mit pyritohedraler Symmetrie des Zinnkäfigs (Th) hingegen wird g = 2,7 beobachtet, was auf einen signifikanten Bahnanteil am magnetischen Moment schließen lässt. Für beide Clusterspezies lässt sich die Ablenkung in einem inhomogenen Magnetfeld durch ein zweites Feld umkehren, solange die magnetische Flussdichte im Zwischenbereich konstant gehalten wird. Durch Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit einem mikroskopischen Modell kann gezeigt werden, dass im Fall von MnSn12 aufgrund der kleinen Spin-Rotations-Kopplung nur an etwa 1% der verbotenen Kreuzungen tatsächlich eine Änderung des Spinzustands eintritt. Im Gegensatz dazu liegt dieser Wert für AlSn12 nahe 100%, da die Spin-Rotations-Kopplung aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung deutlich größer ist. Außerdem zeigen Experimente mit isotopenangereicherten Zinnproben, dass eine Verringerung der Anzahl an Kernspins in der ersten Koordinationssphäre um das zentrale Aluminiumatom zu weniger nichtresonanten Spinzustandsänderungen führt. Dies äußert sich in den Doppelablenkexperimenten an AlSn12, aber auch in Stern-Gerlach-Experimenten an Al120Sn11, in denen im Gegensatz zu AlSn11 mit natürlichem Zinn eine Aufspaltung des Molekularstrahls ähnlich den Clusterspezies AlSn12 und MnSn12 beobachtet wird. Während die Spindynamik von AlSn12 auf die Spindynamik an Kreuzungen von Hyperfeinbändern zurückgeführt werden, muss bei AlSn11 auch die Verringerung der molekularen Symmetrie durch Isotopenaustausch berücksichtigt werden. Die experimentellen Ergebnisse an verschiedenen dotierten Zinnclustern geben interessante Einblicke, wie die magnetischen Eigenschaften dieser Spezies beeinflusst werden können. Die Modellierung auf Basis verbotener Kreuzungen der Spinmikrozustände dient zur Deutung der Experimente und als Bindeglied zur theoretischen Berechnung von Clustereigenschaften durch quantenchemische Methoden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In the present work, the magnetic properties of small alloyed metal clusters, consisting of about a dozen atoms, is described by experimental methods and theoretical modeling. The focus is on the magnitude of the magnetic moment and the electron spin dynamics as a function of cluster size, composition, symmetry, and hyperfine coupling. In molecular beam experiments in high vacuum, the intrinsic properties of clusters of defined size and composition is studied isolated from external influences such as intermolecular interactions or a substrate. Deflection of neutral particles in an inhomogeneous magnetic field according to Stern and Gerlach allow the measurement of the magnetic moment. In double deflection experiments with two deflection fields in series, the spin dynamics upon a change in magnetic flux density is probed. In addition, a model based on avoided crossings between the spin microstates has been developed, allowing a physically meaningful interpretation of the experimental observations. The g factor of the endohedrally doped icosahedral cage cluster MnSn12 corresponds to the free electron value of g = 2.0. In contrast, for the endohedral AlSn12 with pyritohedral symmetry of the tin cage, g = 2.7 is observed, suggesting a significant orbital contribution to the magnetic moment. For both cluster species, the deflection in an inhomogeneous magnetic field can be reversed in a second field as long as the magnetic flux density is kept constant in the intermediate region. The microscopic model reveals that in the case of MnSn12, due to the small spin-rotation coupling, a change in spin state actually occurs only at about 1% of the avoided crossings. In contrast, this value is close to 100% for AlSn12 because the spin-rotation coupling is much larger due to spin-orbit coupling. Moreover, experiments with isotopically enriched tin samples show that a decrease in the number of nuclear spins in the first coordination sphere around the central aluminum atom leads to fewer nonresonant spin state changes. This is manifested in the double deflection experiments on AlSn12, but also in Stern-Gerlach experiments on Al120Sn11. Here, in contrast to AlSn11 with natural tin, a splitting of the molecular beam similar to the cluster species AlSn12 and MnSn12 is observed. While the observations on AlSn12 are attributed to spin dynamics at intersections of hyperfine bands, the reduction of molecular symmetry due to isotopic exchange must also be considered for AlSn11. The experimental results on various doped tin clusters presented in this work provide interesting insights into how the magnetic properties of these species can be affected. Modeling based on avoided crossings of spin microstates allows the interpretation the experiments and provides a link to theoretical calculations of cluster properties by quantum chemical methods.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 117 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Department of Chemistry > Physical Chemistry
TU-Projects: DFG|SCHA885/16-1|Molekularstrahl-Elek
Date Deposited: 12 Nov 2021 13:26
Last Modified: 12 Nov 2021 13:26
DOI: 10.26083/tuprints-00019373
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-193738
Referees: Schäfer, Prof. Dr. Rolf ; Reggelin, Prof. Dr. Michael ; Becker, Prof. Dr. Jörg August
Refereed: 1 November 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19373
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