自旋翻转-spin crossover
物理名词英文缩写

序号缩写英文全称1AFM antiferromagnetic2MIT metal-to-insulator transition3SQUID superconducting quantum interference device 4MPMS Physical Property Measurement System5Shimadzu6XRD X-Ray DiffractionX-Ray Powder Diffraction)7XRPD8FC field-cooled9ZFC zero field-cooled10spin gap systems11spin-Peierls transition12ESR Electron spin resonance13LIESST light induced excited spin state trapping14LITH light induced thermal hysteresis15SCO spin crossover16IR spectrum Infrared Radiation spectrum17TEM transmission electron microscope (TEM)18FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy19DSC Differential scanning calorimetry20DSC Dynamic Stability Control21MPMS Physical Property Measurement System22MBE Molecular Beam Epitaxy23MOKE magneto-optical Kerr effect24XPS X-ray photoelectron spectroscopy analysis)25TEM Transmission electron microscope26LIBs laser induced breakdown spectroscopy27282930313233343536373839中文意思具体意思反铁磁的金属和绝缘体之间的转换量子扰动超导探测器磁学测量系统分光光度计X射线衍射X射线粉末衍射加场冷却零场冷却自旋能隙系统派尔斯自旋跃迁电子自旋共振光致激发自旋俘获光致热磁滞现象自旋交叉自旋交叉是第一行d—金属(第三周期电子结构为d4-d7过渡金属)配合物在一定条件的作用下由高自旋转换为低自旋,或者由低自旋转换为高自旋。
量子力学中的自旋与自旋翻转研究

量子力学中的自旋与自旋翻转研究量子力学是研究微观粒子行为的物理学分支,自旋是其中一个重要的概念。
自旋是粒子固有的性质,类似于粒子的旋转,但实际上并不是真正的旋转。
自旋具有一些独特的特性,对于我们理解物质的性质和开发新技术具有重要意义。
自旋最早由斯特恩和格拉赫在1922年的斯特恩-格拉赫实验中发现。
他们发现,通过磁场作用,束缚在磁场中的银原子束会分裂成两个子束,这种现象被解释为银原子具有自旋。
自旋的概念随后被引入量子力学中,成为描述粒子性质的重要参数。
自旋是粒子的内禀角动量,与粒子的运动角动量不同。
自旋可以取半整数或整数的数值,例如1/2、1、3/2等。
自旋的取值决定了粒子的性质,例如电子的自旋为1/2,而光子的自旋为1。
自旋具有一些奇特的性质。
首先,自旋是量子化的,只能取离散的数值。
其次,自旋不同于经典的角动量,它不是由粒子的运动产生的,而是粒子固有的性质。
第三,自旋可以与其他物理量相互作用,例如磁场。
这种相互作用可以导致自旋的取向发生变化,即自旋翻转。
自旋翻转是自旋在外界作用下发生改变的过程。
自旋翻转可以通过磁场或其他方式实现。
在磁场中,自旋会与磁场相互作用,导致自旋的取向发生改变。
这种现象被广泛应用于磁共振成像等技术中。
自旋翻转在量子计算和量子通信中也起着重要作用。
量子计算是一种基于量子力学原理的计算方法,利用粒子的量子态进行信息处理。
自旋作为量子比特的一种实现方式,可以用来存储和处理量子信息。
自旋翻转可以实现量子比特之间的相互作用,从而实现量子计算中的逻辑门操作。
在量子通信中,自旋翻转可以用来实现量子态的传输和存储。
量子态的传输是指将一个粒子的量子态传递给另一个粒子,而不改变其量子信息。
自旋翻转可以实现量子态的传输,从而实现远程量子通信。
同时,自旋翻转还可以用来存储量子信息,例如在量子存储器中。
除了在基础科学和技术应用中的重要性,自旋与自旋翻转还涉及到一些前沿的研究领域。
例如,在拓扑量子态中,自旋与自旋翻转被广泛研究。
物理名词英文缩写

序号缩写英文全称1AFM antiferromagnetic2MIT metal-to-insulator transition3SQUID superconducting quantum interference device 4MPMS Physical Property Measurement System5Shimadzu6XRD X-Ray DiffractionX-Ray Powder Diffraction)7XRPD8FC field-cooled9ZFC zero field-cooled10spin gap systems11spin-Peierls transition12ESR Electron spin resonance13LIESST light induced excited spin state trapping14LITH light induced thermal hysteresis15SCO spin crossover16IR spectrum Infrared Radiation spectrum17TEM transmission electron microscope (TEM)18FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy19DSC Differential scanning calorimetry20DSC Dynamic Stability Control21MPMS Physical Property Measurement System22MBE Molecular Beam Epitaxy23MOKE magneto-optical Kerr effect24XPS X-ray photoelectron spectroscopy analysis)25TEM Transmission electron microscope26LIBs laser induced breakdown spectroscopy27282930313233343536373839中文意思具体意思反铁磁的金属和绝缘体之间的转换量子扰动超导探测器磁学测量系统分光光度计X射线衍射X射线粉末衍射加场冷却零场冷却自旋能隙系统派尔斯自旋跃迁电子自旋共振光致激发自旋俘获光致热磁滞现象自旋交叉自旋交叉是第一行d—金属(第三周期电子结构为d4-d7过渡金属)配合物在一定条件的作用下由高自旋转换为低自旋,或者由低自旋转换为高自旋。
热力学 自旋分界区

热力学自旋分界区
热力学自旋分界区(Thermodynamic Spin Crossover Region)是指在自旋交叉(Spin Crossover)现象中,物质的温度和压力变化范围内,自旋状态发生改变的区域。
自旋交叉是一种由于温度和压力变化引起的分子或晶体中电子自旋状态从高自旋态(HS)向低自旋态(LS)或反之转变的现象。
自旋交叉现象在热力学中具有重要的应用和研究价值。
在自旋分界区内,物质的自旋状态会随着温度和压力的变化而不断转变,这种转变可以通过测量热容、磁化率等物理性质来观察和研究。
研究自旋交叉现象可以帮助我们更好地了解物质的电子结构和性质,并为开发新型材料和应用提供理论基础。
自旋分界区的范围取决于具体的物质和实验条件,可以通过实验或理论计算来确定。
热力学自旋分界区的研究对于设计和合成具有可调控自旋态的材料以及开展相关应用具有重要意义。
自旋旋转对称

自旋旋转对称自旋旋转对称(Spin-rotation symmetry)是指在自旋和空间旋转变换下系统的对称性。
它是量子力学中的一个重要概念,对于许多物理现象的研究都有着重要的意义。
一、自旋1.1 自旋的概念自旋是指粒子固有的角动量,与粒子运动状态无关。
自旋可以用矢量表示,其大小为$\frac{\hbar}{2}$,其中$\hbar$为普朗克常数除以$2\pi$。
1.2 自旋的作用自旋在物理学中有着广泛的应用,例如:(1)解释原子和分子光谱中出现的细微结构;(2)解释核磁共振现象;(3)描述电子行为等。
二、空间旋转变换2.1 空间旋转变换的概念空间旋转变换是指将物体绕某一轴线进行一定角度的旋转后得到新物体的过程。
在三维欧几里得空间中,空间旋转变换可以用欧拉角来描述。
2.2 空间旋转变换下系统的对称性在空间旋转变换下,系统具有不同类型的对称性:(1)轴对称性:当系统绕某一轴旋转一定角度后,仍然保持不变。
(2)面对称性:当系统绕某一平面旋转一定角度后,仍然保持不变。
(3)点对称性:当系统绕某一点旋转一定角度后,仍然保持不变。
三、自旋旋转对称3.1 自旋旋转对称的概念自旋旋转对称是指在自旋和空间旋转变换下系统的对称性。
它与空间对称性不同,因为自旋是内禀属性,而空间位置则是外部属性。
3.2 自旋旋转对称的作用自旋旋转对称在物理学中有着广泛的应用,例如:(1)解释核子和原子核的结构;(2)描述粒子散射过程;(3)研究量子场论等。
四、自由粒子的自旋-轨道耦合4.1 自由粒子的哈密顿量自由粒子的哈密顿量可以表示为:$$H=\frac{p^2}{2m}$$其中$p$为动量,$m$为质量。
4.2 自由粒子的自旋-轨道耦合项考虑一个电子在外加磁场$B$下的运动,其哈密顿量为:$$H=\frac{p^2}{2m}-\mu_B\vec{\sigma}\cdot\vec{B}$$其中$\mu_B$为玻尔磁子,$\vec{\sigma}$为自旋矢量,$\vec{B}$为外加磁场。
自旋极化方向

自旋极化方向
自旋极化(Spin Polarization),又称自旋偏极,是一种技术,是指使用磁场或微波来改变原子或分子中飞秒轨道电子的自旋方向。
自旋极化是体系中电子双重性质的重要表现,在许多实用应用中,例如电子学、碳基信息系统、材料表面热力学、I-V测试等,自旋极化呈现出重要的实用价值。
自旋极化的方向是电子的自旋极化方向。
电子的自旋方向指的是电子的内部自旋,它决定了电子的特性和行为。
自旋极化方向是由被改变方向决定的,被改变方向主要包括:引力水平、多体影响、自旋涟漪效应、内部抛射神经元等。
另外被施加的外力也会影响自旋的极化方向。
自旋极化是计算器、通信系统、磁共振成像系统、激光器件和电子学系统中最重要的研究内容之一,是物理学、材料科学和化学等复杂系统物理量的重要组成部分。
该技术已经发展到研发出许多产品,更有利于理解原子或分子等结构的复杂性,及其在外界作用下变化。
电子自旋运动的两种状态

电子自旋运动的两种状态电子自旋,又称“电子旋转”,是指电子存在于原子内可分离的状态的自有的转动。
电子自旋是一种自由自然的运动,可以将原子抬升至数学上不同的态势。
它在原子结构中极其重要,并影响着物质的性质和相互作用。
本文旨在分析电子自旋运动的两种状态,以及它们与原子结构和性质之间的联系。
电子自旋运动的两种基本状态,即自旋上升状态(spin-up state)和自旋下降状态(spin-down state),在物理学家的系统描述中被记为“箭头向上”和“箭头向下”。
这些状态是量子态的组成部分,是物质性质和相互之间发生化学反应的重要条件。
从电子自旋状态的计算模型看,上升箭头和下降箭头表示电子自旋方程的可能解,其算式为:spin-up state = +1/2; spin-down state = -1/2。
箭头表示用来描述电子在某原子电子层中的反应性,而半子代表由电子在磁场中所受的受权量。
因此,只有当磁场的强度增强时,电子的自旋方向才会出现变化。
虽然可以用自旋上升状态和自旋下降状态来描述电子的自旋运动,但这两个状态之间的差异在物质结构和化学反应的表现上有很大的影响。
首先,由于电子自旋方向的改变会影响原子吸收光谱,使得其结构更加稳定,从而影响物质的性质,例如它们的排列式和反应性。
其次,电子自旋状态的改变也会让原子变得更加稳定,导致它们之间更少发生化学反应。
此外,还可以将电子自旋运动归纳为精密的结构和电子配对,从而加强原子结构的稳定性。
有时,电子自旋也会影响基团水平的活性,进而影响物质的反应性和结构的变化。
通常情况下,当涉及到反应时,电子自旋会产生物质在一定程度上对对称性的偏好,从而导致物质结构发生变化,阻碍反应发生。
电子自旋运动与原子结构和性质存在相当大的联系。
因此,电子自旋运动的上升状态和下降状态是否存在,都会进一步影响物质的性质和相互作用。
通过深入研究电子自旋运动的正负状态,为深入理解原子形成和化学反应提供了重要的基础性资料,也可以帮助研究人员精细化调整原子的结构和性质,以获得更加高效稳定的原子配位结构。
自旋翻转-spin crossover

LS, S = 1/2
HS, S = 5/2
1931 – Cambi and Szego observed
SCO in Fe(III) dithiocarbomates
Pauling initially explained their
results by the change in the bond type from covalent to ionic correct explanation based on the change in the spin state of the ion
Tanabe-Sugano Diagrams
d2 Ion d3 Ion
Tanabe-Sugano Diagrams
d5 Ion d6 Ion
The History of SCO Phenomenon
Observed for d4, d5, d6, d7 metal ions These ions exhibit two possible
electron configurations in the octahedral ligand field
Example – d5 ion
eg t2g eg t2g
Switching between the states is
achieved by changing temperature, pressure, or by photoexcitation
Splitting of d-Orbitals by the Ligand Field
Octahedral symmetry
eg 10Dq t2g
Mn+,
d
Spectrochemical series of ligand-field strength:
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Metal-Ligand Distances
The antibonding orbitals (eg*) are populated only in the HS state LS, S = 0
eg t2g
HS, S = 2
eg
t2g
Useful relationship:
10Dq ~ 1/rn (n = 5 – 9)
1A 1A 1A 3 1 T1 3 1 T2
1 1 T1
(10)
LS
HS
5T
2
5E
10DqHS = 11 800 cm–1
Hauser, A. J. Chem. Phys. 1991, 94, 2741.
10DqLS = 19 410 cm–1
Pairing Energy and Ligand-Field Strength
Spin Crossover in
Transition Metal Complexes
Michael Shatruk
Department of Chemistry and Biochemistry Florida State University, Tallahassee, FL
ICMM-2012 October 7-11, 2012
Halftime Update
1:1
Messi (31') C. Ronaldo (23')
Outline
1. The origins of spin crossover (SCO)
2. Characterization methods
3. Examples of SCO in transition metal complexes 4. The role of cooperativity in SCO 5. Pressure- and light-driven SCO 6. Charge-transfer induced spin transitions
Mössbauer Spectroscopy
Nucleus 1 Excited state E ES Nucleus 2
EES
Ground state E GS -source -receiver
EGS
Mössbauer Periodic Table
Experimental Implementation
Tanabe-Sugano Diagrams
d2 Ion d3 Ion
Tanabe-Sugano Diagrams
d5 Ion d6 Ion
The History of SCO Phenomenon
Observed for d4, d5, d6, d7 metal ions These ions exhibit two possible
Absorptions Spectra of HS and LS Complexes
10Dq, cm–1
[Fe(H2O)6]2+
10,000
[Fe(CN)6]3–
33,000
Absorption Spectra of SCO Complexes
[Fe(ptz)6](BF4)2
1 A 1 T 1 2
LS
57Fe
Mössbauer Spectroscopy Fe(II) LS
4.2 K 123 K 160 K
Other spectroscopic techniques
Absorption
LS Fe(II) HS
-4 -2 0
EQ
2 4
298K
HS
Velocity (mm/s)
Magnetometry
Example: High-Spin Fe2+ and Fe3+ Ions
HS Fe2+ S=2
E0ВН
If 10DqHS < 10,000 cm–1 or
10DqLS > 23,000 cm–1, the SCO is impossible
Conditions for observation of
SCO in Fe(II) complexes: 10DqHS 11,000 – 12,500 cm–1 10DqLS 19,000 – 22,000 cm–1
V, Å3 d(Fe–N)av, Å
(N-Fe-N), deg
12
i 90
i 1
1
i
2
Phan, H.; Chakraborty, P.; Chen, M.; Calm, Y. M.; Kovnir, K.; Keniley, L. K.; Hoyt, J. M.; Knowles, E. S.; Besnard, C.; Meisel, M. W.; Hauser, A.; Achim, C.; Shatruk, M. Chem. Eur. J. In press.
Orgel was the first to suggest the
Interesting sequence in 1950s: - Ligand field theory established - Mössbauer effect discovered - Spin crossover explained
r(Fe–L):
1.95-2.00 Å
2.15-2.20 Å
Using the average r(Fe–L) for
SCO complexes, one can estimate that 10DqLS/10DqHS ~ 1.75
Important: the Fe-N bond
lengths and orbital overlap change upon SCO, and therefore 10Dq is different for the LS and HS states of the same complex
eg t2g
HS, S = 2
eg t2g
10Dq >
10Dq <
10Dq – ligand-field splitting
– electron pairing energy
Complexes: HS SCO LS
Hauser, A. Top. Curr. Chem. 2004, 233, 49-58.
Splitting of d-Orbitals by the Ligand Field
Octahedral symmetry
eg 10Dq t2g
Mn+,
d
Spectrochemical series of ligand-field strength:
I– < Br– < Cl– < SCN– < NO3– < F– < OH– < H2O < NCS– < py < NH3 < en < NO2– < PPh3 < CN– < CO
LS, S = 1/2
HS, S = 5/2
1931 – Cambi and Szego observed
SCO in Fe(III) dithiocarbomates
Pauling initially explained their
results by the change in the bond type from covalent to ionic correct explanation based on the change in the spin state of the ion
Absorption Spectroscopy
Optical absorption spectrum of [Ti(H2O)6]3+
Wavelength, Å
eg
10Dq
t2g
Ti3+, 3d1
Molar absorptivity
10Dq = o 20,000 cm–1
Frequency, cm–1 10–3
10DqВС 10DqНС
E0HL = E0HS – E0LS
Characterization Methods
Crystallography
LS
d(FeII-N) (Å) 1.95-2.00
Mangetometry
HS
2.15-2.20
HS emu·K/mol
T = 3.3-3.8
T 0
mI
3 2 3 2 1 2
The quadrupole splitting arises from asymmetric distribution (gradient) of electron density around the absorbing nucleus
I
E0EA1 21 2Spin Crossover – Texas Style (Highway 6)
Spin Crossover (SCO) in Fe(II) complexes
About 90% of reported cases of SCO have been observed in Fe(II) complexes LS, S = 0
electron configurations in the octahedral ligand field
Example – d5 ion
eg t2g eg t2g
Switching between the states is
achieved by changing temperature, pressure, or by photoexcitation