小富勒烯分子在经典与全量子极限下的零温磁响应

本文计算了最多包含36个顶点的富勒烯分子的基态磁响应，其中自旋为经典自旋或大小为 $s=\frac{1}{2}$ 的自旋位于其顶点上，并按照最近邻反铁磁 Heisenberg 模型进行相互作用。源于富勒烯五边形并因其紧密邻近性而增强的阻挫拓扑结构，导致了大量的经典磁化强度和磁化率不连续性，这对于缺乏磁各向异性的模型而言是出乎意料的。这确立了经典不连续性为富勒烯分子的普遍特征，与其对称性无关。不连续性最多的是具有26个格点的分子（四个磁化强度不连续点和两个磁化率不连续点），以及一个具有34个格点的同分异构体（各有三个）。此外，对于其中几种富勒烯，经典零场最低能量构型具有有限磁化强度，这对于偶数个自旋之间的反铁磁相互作用且每个自旋具有相同数量最近邻的情况是出乎意料的。这些分子具有不同的对称性和拓扑结构，从如此少量且相对较小的富勒烯样本中只能检测到少数几种磁行为模式。与经典情况相反，在全量子极限 $s=\frac{1}{2}$ 下，所考虑的分子子集中不存在不连续性。这使得具有二十面体对称性的富勒烯成为已知唯一在 $s=\frac{1}{2}$ 时支持基态磁化强度不连续性的分子。此外还发现，一个具有34个格点的分子在 $s=\frac{1}{2}$ 时具有二重简并基态。