耦合自旋-1/2 纳米石墨烯中的分子间交换理论

开壳层纳米石墨烯可被共价键合且仍保留其局域磁矩，形成相互作用的自旋晶格。对于苯型纳米石墨烯，Ovchinnikov-Lieb 规则可预测超结构的基态自旋，从而预测分子间交换的符号。本文探讨此类体系中分子间交换的微观机制。我们发现一般而言有三种机制起作用。第一，洪德铁磁交换促进重叠轨道中电子的铁磁相互作用。第二，由分子间杂化驱动的超交换，等同于 Anderson 动力学交换，它是 Hubbard-$U$ 能标的递减函数，且总是反铁磁的。第三，库仑驱动的超交换，随 $U$ 增大而增强，涉及扩展到整个结构的激发分子轨道的虚激发。我们发现库仑驱动超交换可铁磁也可反铁磁，从而解释 Ovchinnikov-Lieb 规则。我们以耦合的 $S=1/2$ phenalenyl 三角烯为例，采用 Hubbard 与扩展 Hubbard 模型的多重构型方法计算了这些交换能，进而探讨长程库仑相互作用对交换耦合的影响。