高对称性四聚体单分子磁体中的单离子与各向异性交换效应及多铁性行为

我们研究了具有$T_d$、$D_{4h}$、$D_{2d}$、$C_{4h}$、$C_{4v}$或$S_4$离子点群对称性的等自旋$s_1$四聚体单分子磁体中的单离子和各向异性交换效应。我们首先在适当的局部坐标系中写出群不变的二次单离子和对称各向异性交换哈密顿量。随后，我们将这些局部哈密顿量重写为分子或实验室表象，同时包含 Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用、各向同性 Heisenberg、双二次以及三中心四次哈密顿量。利用我们推导出的单离子自旋矩阵元的精确紧凑形式，我们在微观各向异性相互作用的一阶近似下（对应强交换极限）解析计算了本征态能量，并提供了任意$s_1$的铁磁 (FM) 和反铁磁 (AFM) 四聚体最低四个本征态流形能量的简化公式表。对于 AFM 四聚体，我们展示了$s_1=1/2,1,3/2$时的一阶能级交叉感应场，并通过拟合磁化数据对 Ni$_4$的微观参数进行了初步估算。给出了热力学、电子顺磁共振吸收和非弹性中子散射截面的精确解析表达式，从而允许从 FM 四聚体的第二激发态流形确定三个微观各向异性相互作用参数。我们还预测具有$S_4$和$D_{2d}$对称性的四聚体应同时表现出 DM 相互作用和多铁体态，并针对$s_1=1/2, 1$的情况说明了我们的预测。