Mn12单分子磁体的紧束缚模型：电子与磁结构及输运性质

我们描述并分析了一个捕捉单分子磁体（SMM）电子结构自旋和空间方面的紧束缚模型。该模型将扩展休克尔理论推广至包含自旋极化和自旋轨道耦合效应。对于带有乙酸或苯甲酸配体的中性和带负电的Mn12 SMM，该模型给出的总SMM自旋、单个Mn离子的自旋、磁易轴取向、磁各向异性势垒大小以及HOMO-LUMO能隙大小与实验一致。对于中性分子，预测的HOMO自旋和空间位置与密度泛函计算结果一致。对于总自旋和LUMO位置，基于密度泛函理论的计算结果各异，而本模型给出的结果与带负电分子的实验一致。对于带有硫醇盐和甲硫基封端苯甲酸配体的Mn12 SMM（Mn12-Ph-Th），我们发现HOMO位于分子的磁性核心上，但（与先前理论研究的Mn12 SMM不同）我们预测Mn12-Ph-Th的LUMO和近LUMO轨道位于配体上。因此我们预测，对于这些Mn12 SMM，通过近LUMO轨道的共振和非共振相干输运（不受库仑阻塞影响）应当发生。我们提出，这一效应可用于识别特定的实验实现的SMM晶体管，其中易轴和磁矩近似平行于电流方向。我们还预测，无论输运是由位于SMM磁性核心上的HOMO介导，还是由位于名义上非磁性配体上的近LUMO轨道介导，这些SMM在低偏压下都能实现有效的自旋过滤。