局部自旋各向异性对二聚体单分子磁体磁化与比热的影响

我们提出了一个等自旋 $s_1$ 二聚体单分子磁体的精确可解模型。每个二聚体内的自旋通过 Heisenberg 交互作用、最一般的二次全局和局部（单离子）各向异性自旋交互作用，以及与磁感应 ${\bf B}$ 的耦合发生相互作用。对于反铁磁耦合和 $s_1>1/2$，低温 $T$ 下的磁化 ${\bm M}({\bm B})$ 表现出 $2s_1$ 个具有普适高度和中点斜率的台阶，其中第 $s$ 个台阶发生在非普适的能级交叉磁感应 $B_{s,s_1}^{\rm lc}(\theta,\phi)$ 处，这里 $\theta,\phi$ 定义了 ${\bf B}$ 的方向。当 $T\to0$ 时，比热 $C_V$ 在这些 $B_{s,s_1}^{\rm lc}(\theta,\phi)$ 值处表现出零值，并且随着 $T\to0$，这些零值被成对的普适峰值等距环绕。非普适的 $B_{s,s_1}^{\rm lc}(\theta,\phi)$ 值导致了丰富的磁化平台行为，其结构和各向异性取决于各种全局和局部各向异性自旋交互作用能。我们精确求解了 $s_1=1/2$、1 和 5/2 的模型，并给出了这些情况下低温时的 ${\bm M}({\bf B})$ 和 $C_V({\bf B})$ 曲线。对于弱各向异性二聚体，在任意 $s_1$ 下关于 ${\bm M}({\bf B})$ 和 $C_V({\bf B})$ 的相当简单的解析公式在足够低的 $T$ 或足够大的 $B$ 下能准确拟合精确解。我们推导了在四个独立各向异性能量中精确到二阶的 $B_{s,s_1}^{\rm lc}(\theta,\phi)$ 表达式。我们结合现有的 $s_1=5/2$ Fe$_2$ 二聚体实验讨论了我们的结果，并建议有必要对这些以及某些 $s_1=9/2$ Mn$_4$]$_2$ 二聚体的单晶进行进一步的实验。