单分子磁体中两个磁矩间夹角的精确测量及其构型稳定性

双核镧系单分子磁体(SMMs)低温磁耦合的一个关键参数是由两个 $4f$ 磁矩之间的交换和偶极相互作用产生的势垒 $U_{FA}$。在此,我们将先前用于描述双核内嵌富勒烯基态的赝自旋模型推广,以考虑单离子各向异性轴取向的变化,并将其应用于两种 SMM:Dy$_2$ScN@C$_{80}$ 和 Dy$_2$TiC@C$_{80}$。虽然 X 射线磁圆二色性(XMCD)表明两种分子中均存在相同的 $J_z=15/2$ Dy 基态,但 Dy-Dy 耦合强度和磁化稳定性有所不同。我们证明,势垒 $U_{FA}$ 的大小和两个 $4f$ 磁矩之间的夹角均可由精确的温度依赖磁化数据直接确定,精度优于 $1^{\circ}$。实验发现的 $4f$ 磁矩之间的夹角与两个 Dy 离子量化轴之间计算所得夹角极为吻合。理论表明,在 Dy$_2$TiC@C$_{80}$ 中,Dy 磁矩相对于 Dy 到中心离子键轴的取向偏离更大。这可能解释了 Dy$_2$TiC@C$_{80}$ 中磁化稳定性较低的原因,尽管其交换耦合比 Dy$_2$ScN@C$_{80}$ 强约 $49\%$。