[论文解读] Supporting Information for Role of the magnetic anisotropy in atomic-spin sensing of 1D molecular chains

Christian Wäckerlin, Aleš Cahlík+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Magnetism in coordination complexes参考文献 77被引用 30

一句话总结

本研究结合X射线磁圆二色性（XMCD）、使用NiCp2修饰的探针的非弹性电子穿隧谱学（IETS），以及先进的DFT+U与多重态计算，确定了Au(111)面上1D Co和Cr基金属有机链的磁各向异性、自旋态及交换耦合。关键发现是磁各向异性强烈影响自旋激发的探测，解释了为何IETS未能检测到交换分裂，尽管探测到了磁性中心。

ABSTRACT

Parameters for the multiplet calculations and M(H) data, constrained random phase approximation calculations, DFT+U calculations, hybrid DFT calculations at the PBE0 level with different amount of Fock exchange, additional STM spectroscopy data and fit of the Kondo resonance, experimental height measurements and induced electron density at chain 3.4 Å above the Au(111) surface, and parameters of simulations of IETS in the Hubbard model.

研究动机与目标

• 确定1D Co和Cr基金属有机配位链在Au(111)面上的磁各向异性能与自旋态（高自旋与低自旋）。
• 理解为何NiCp2-IETS未能检测到交换分裂，尽管探测到了磁性原子。
• 将化学组成与电子结构与低维体系中的磁性关联起来。
• 建立一种结合XMCD、IETS与从头算模拟的多技术框架，用于原子尺度磁性表征。
• 在1D分子纳米磁体中，建立磁各向异性能、自旋大小与取向之间的定量关联。

提出的方法

• 采用X射线磁圆二色性（XMCD）结合多重态分析，提取3d电子结构与磁矩。
• 结合使用NiCp2修饰的扫描隧道显微镜探针的非弹性电子穿隧谱学（IETS），探测局域自旋激发。
• 采用GGA+U和杂化交换相关泛函（PBE0，含40%非局域交换）的DFT计算，模拟电子与磁性性质。
• 使用包含位点特异性3d参数（ε, Fk, ζ, Bkq）的Hubbard模型模拟，以模拟IETS谱与自旋激发能级。
• 应用Fano与Frota线形拟合，从dI/dV谱中提取Kondo温度。
• 将实验IETS谱与基于多自旋位点自旋哈密顿量模型的模拟d2I/dV2谱进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 CoQDI与CrQDI链的磁各向异性能与磁化易轴为何？
• RQ2 Co与Cr中心处于高自旋或低自旋态？其自旋态如何影响磁响应？
• RQ3 为何NiCp2-IETS未能分辨交换分裂，尽管探测到了磁性原子？
• RQ4 配体场效应与自旋-轨道耦合如何影响观测到的自旋激发谱？
• RQ5 XMCD与IETS结合DFT在多大程度上能为1D分子链的磁结构提供一致图像？

主要发现

• CoQDI处于低自旋（LS）态，LS与HS构型之间的计算能差为+22.97 meV，表明LS为稳定基态。
• Co(II)在低自旋态下的交换耦合常数J为−1.50 meV（反铁磁性），表明存在反铁磁耦合。
• CrQDI处于高自旋（S = 2）态，J = −6.66 meV（反铁磁性），未发现低自旋解，表明存在强自旋阻挫。
• 磁各向异性能显著，磁化易轴沿链方向排列，解释了IETS中未观测到交换分裂的原因。
• 通过Fano与Frota拟合提取的Kondo温度约为34–35.7 K，表明Cr位点存在强Kondo屏蔽。
• IETS模拟显示，4 meV峰对应NiCp2探针的自旋翻转，37 meV峰对应Co位点的自旋翻转，41 meV峰对应两处同时翻转。