Mn12

Vista superior del Mn12. Es veuen els carboxilatos equatorials

Vista superior del Mn₁₂. Es veuen els carboxilatos equatorials

La molècula Mn₁₂O₁₂(CH₃COO)₁₆(H₂O)₄, comunament abreviada Mn₁₂ o Mn₁₂Ac₁₆, va anar el primer sistema en el que es va medir experimentalment l'efecte túnel en la desmagnetización, en apreciar-se escalons en la curva d'histéresis magnètica. Estos escalons s'han justificat per les relaixació ràpides de la magnetisació en produir-se les transicions per efecte túnel. Va ser el primer dels imans monomoleculares, i seguix sent un dels més estudiats, encara que recentment s'està treballant molt en atres sistemes més simples. Per lo extens dels estudis se li ha cridat "la drosophila del magnetisme monomolecular", fent referència al conegut organisme modele en genètica.

Estructura química i derivats

La molècula de Mn₁₂ té un núcleu Mn₄^IVO₄ en estructura de tipo cúbic, rodejat d'atres 8 $M{n}^{III}$, que es troben disposts en forma d'anell. 8 aniones oxo i 16 lligants acetat completen la coordinació. La molècula té una forma global de llentilla.

Vista lateral del Mn12. Es veuen els carboxilatos superiors i inferiors

Vista lateral del Mn12. Es veuen els carboxilatos superiors i inferiors

És possible la substitució, per reacció química, dels ligandos acetat per uns atres, majoritàriament carboxilatos, pero també es coneixen casos de sulfats i fosfats. Generalment es mantenen les principals traces de les propietats magnètiques de la molècula, pero s'ha relacionat el caràcter més o menys electronegativo del lligant en la magnitut de l'interacció de bescanvi entre els ions que enllaça.

També és possible la reducció per un o per dos electrons del Mn${}_{12}$. Açò canvia l'espin del seu estat fonamental, pero generalment es manté el seu comportament com a iman unimolecular.

Propietats i estructura magnètiques

El $M{n}_{12}$ és un iman monomolecular. Com a tal, presenta cicles de histéresis magnètiques (a baixa temperatura), túnel quàntic en la magnetisació (que es manifesten com a escalons en el cicle de histéresis), i variacions característiques en la posició i altura dels picos de susceptibilitat en mides ac en funció de la freqüència d'agranada.

La molècula $M{n}_{12}$ es caracterisa cuantitativamente, en la seua forma més senzilla, pel seu valor de número quàntic d'espin S o espin total (S=10, és la suma dels espin de cada àtom de Mn constituents), el seu factor de Landé, g i la seua desdoblament a camp nul, D (efectiu). La descripció mínima pot servir per a racionalisar algunes de les propietats en equilibri, com la magnetisació a una determinada temperatura i a un camp determinat, pero els fenomens dinàmics exigixen anar molt més allà. Aixina, ocasionalment s'inclouen en el hamiltoniano paràmetros més sotils, com a térmens d'orde quart o sext, o es descompon eixe espin efectiu S=10 en els moments magnètics dels Mn individuals.

Esquema d'acoplament magnètic en el Mn12

Esquema d'acoplament magnètic en el Mn12

Els 4 Mn (IV) tenen una configuració electrònica $d^3$, i. per tant, aporten cada u un S=3/2.

Els 8 Mn (III) tenen una configuració electrònica $d^4$, i aporten cada u un S=2. La forta interacció antiferromagnética entre els dos blocs dona lloc a l'estat fonamental de S=10: els 4 Mn (IV) resulten en un S=6, els 8 Mn (III) resulten en un S=16.

Per una atra part, cal considerar que, mentres que els Mn (IV) són isótropo, l'anisotropía dels Mn (III) inclou un terme de simetria I. Per tant, presenten un menut desdoblament a camp nul, per interacció espin-òrbita de segon orde. La suma vectorial d'estes anisotropía axials durà a un eix de fàcil imanación per a la molècula completa.

Al no tindre interaccions espin-òrbita de primer orde, el valor del paràmetro g de Landé (efectiu) para tots estos ions és d'aproximadament 2. D'esta forma, l'estat S=10 també estarà descrit per un g propenc a 2.

Per últim, cal senyalar que, a les temperatures d'interés (entre 1 i 10 K) i a camps baixos (al voltant de 0.1 T) es troben poblats els distints nivells de S=10 (en $M_s=\pm 10,\pm 9,\mathrm{...}$). De forma efectiva i en primera aproximació, tenim el mateix cas que si tinguérem un ion (fictici) en S=10 i sense acoplament espin-òrbita, a temperatura ambiente. Aixina, és possible aplicar fòrmules simplificades com: $\chi T=\frac{g^2}{8}\cdot S\cdot (S+1)$, per a reproduir part del comportament magnètic.