纳米团簇磁性中的轨道极化、表面增强与量子限域

在一个相当普遍的紧束缚框架内，我们研究了$n=9$至60的Ni$_{n}$团簇的磁性。除了通常的跳跃、交换和自旋-轨道耦合项外，我们的哈密顿量还包括轨道关联和表面原子的价轨道偏移。我们表明，在该团簇尺寸范围内，轨道矩不仅对总磁矩有显著贡献，而且主导了总磁矩随团簇尺寸的振荡。发现表面增强不仅发生在自旋上，而且更强地发生在轨道矩上。这种增强的幅度主要取决于表面原子的配位缺失，可以用简单的插值很好地描述。对于非常小的团簇（$n \leq 20$），4s电子的量子限域对3$d$电子占据有显著影响，从而极大地影响自旋和轨道磁矩。使用物理上合理的参数来解释轨道关联和表面价轨道偏移，我们的结果与现有实验定量吻合，证明了构建纳米团簇磁性统一理论框架的可行性。