通过构建或破坏自旋阻挫设计合成分子基磁体

In this research proposal, we plan to tune the magnetic properties by building a new spin frustration system or destroying a known spin frustration to increase the ground state spin.. The study will include: (1) Introducing an additional spin carrier in a spin frustration complex, the spins will be polarized ferromagnetically due to the competition between antiferromagnetic coupling interaction with different J. (2) Introducing a hetero metal ion at the frustrated position in the spin frustration system, the competition between more than two antiferromagnetic coupling will produce an unique nondegenerate ground spin state to obtain ferrimagnet or cluster with high ground state spin. (3) Giving a theoretical method for determine a system to be spin frustration or not.. The overarching goal of this project is (1) to illuminate the magnetic coupling essential in some systems with spin frustration, in which the temperature dependence of magnetic properties only gives the observed (possible fake) coupling mode and (2) to change the antiferromagnetic coupling into polarized ferromagnetic ordering to increase the ground state spin, further increase the blocking temperature of low-dimensional magnets or get ferrimagnets from antiferromagnets.

本项目拟以自旋阻挫体系为研究对象，通过构建阻挫体系或有目的地破坏阻挫体系，改变体系的基态自旋，以实现对分子基磁体性质的调控。. 主要内容包括（1）在完全反铁磁性耦合体系中引入新的耦合离子形成自旋阻挫体系，通过不同途径下的耦合竞争使原有体系中反铁磁耦合的自旋被极化为铁磁有序；（2）在自旋阻挫体系中的阻挫位点引入异核金属离子破坏原阻挫体系获得单一自旋基态化合物或亚铁磁体；（3）给出一种理论上判断自旋阻挫的方法。. 意义和目的：（1）一些磁性测试数据比如XmT-T图只能给出表观的但错误的耦合结果，而本项目的研究可以揭示这些体系中磁耦合本质；（2）改变反铁磁耦合的自旋为极化铁磁有序后可以提高基态自旋值，进而提高低维磁体的阻塞温度，或得到亚铁磁体。

众所周知，基于磁轨道重叠的反铁磁耦合作用远比基于磁轨道正交的铁磁耦合作用大，所以反铁磁耦合的化合物或反铁磁体的例子比纯铁磁体多。通过合理设计化合物结构获得性能优良的分子基磁体是变反铁磁耦合不利因素为有利的关键。以反铁磁耦合为基础的自旋阻挫存在于大部分多核和多维体系中，所以在合理利用反铁磁耦合方面，通过自旋阻挫设计分子基磁体是最好途径之一。本项目正是以此为基础展开研究，主要成果包括两个方面：.1. 发现高核数簇合物自旋阻挫体系中的铁磁极化现象：.通过三角形几何阻挫结构构建自旋阻挫体系，合成了包括三角形、四面体、体心四面体、四方锥、七核碟形在内的十多个自旋阻挫化合物。研究它们的磁构关系发现，当在阻挫体系中调节自旋间的耦合竞争时，可以破坏原阻挫关系，自旋被铁磁极化，提高簇合物的基态自旋，从而改善化合物的单分子磁性质。本工作解决了困扰分子磁学领域已久的变温磁性质为铁磁性和自旋载体间耦合相矛盾的难题，同时可以用自旋极化解释[Mn12]单分子磁体内自旋间真正的耦合方式，为利用反铁磁耦合合成分子基磁体提供了一个新的研究途径。.2. 拓展了自旋阻挫研究范围：.自旋阻挫是深入理解自旋量子液体的基础。因自旋阻挫体系具有多简并基态，在外界条件对自旋进行微小扰动时，它们的状态容易被改变，从而可以观察处于不同态时自旋间的关联性，所以无论是简单阻挫体系还是量子自旋液体都可能是量子比特的好载体。本项目对多例化合物进行了退相干时间测试，发现所有被测化合物均显示量子比特性质。本研究不但扩展了自旋阻挫体系的研究范围，同时将多种物理性质联系起来，在此基础上有望获得量子自旋液体、超导、量子比特等多种物理现象相关联的理论解释。.在本项目的资助下，发表标注文章28篇，申请了专利1项。在Angew. Chem. Int. Ed.，Nat. Commun.等一流期刊发表文章2篇。目前的研究已获得大量关于自旋阻挫与分子基磁体、量子比特相结合的数据和经验，为本方向的进一步研究打下了基础。