由不同自旋物种构成的二聚化量子磁体中的反常磁交换

我们在此研究反铁磁二聚体材料 CuVOF$_4$(H$_2$O)$_6\cdot$H$_2$O 的磁性质，其中二聚体单元由两种不同的 $S = 1/2$ 物种 Cu(II) 和 V(IV) 组成。研究发现，施加 $\mu_0H_{\rm c1} = 13.1(1)~\rm T$ 的磁场可关闭单重态-三重态能隙，该能隙的大小由磁强计与电子自旋共振测量所确定的反铁磁二聚体内交换能 $J_0 \approx 21~\rm K$ 与二聚体间交换能 $J' \approx 1~\rm K$ 共同决定。密度泛函理论（DFT）计算结果与实验一致，并预测所有最近邻键上均为反铁磁耦合，其磁基态中不同物种的自旋彼此反平行排列，而同种物种的自旋则平行排列。该体系的磁性无法由局域 V 轨道与位于 Jahn-Teller（JT）平面内的磁性 Cu 轨道之间的重叠准确描述，基于这样一组轨道的紧束缚模型错误地预测二聚体间交换应占主导。DFT 计算表明桥氧上具有显著的自旋密度，提示存在一种不寻常的机制：二聚体内交换是通过 Cu(II) JT 轴上的 O 原子中介的。