Skip to main content

A Microscopic and Spectroscopic View of Quantum Tunneling of Magnetization

  • Chapter
Molecular Magnets

Part of the book series: NanoScience and Technology ((NANO))

Abstract

This chapter takes a microscopic view of quantum tunneling of magnetization (QTM) in single-molecule magnets (SMMs), focusing on the interplay between exchange and anisotropy. Careful consideration is given to the relationship between molecular symmetry and the symmetry of the spin Hamiltonian that dictates QTM selection rules. Higher order interactions that can modify the usual selection rules are shown to be very sensitive to the exchange strength. In the strong coupling limit, the spin Hamiltonian possesses rigorous D 2h symmetry (or C in high-symmetry cases). In the case of weaker exchange, additional symmetries may emerge through mixing of excited spin states into the ground state. Group theoretic arguments are introduced to support these ideas, as are extensive results of magnetization hysteresis and electron paramagnetic resonance measurements.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this chapter

Chapter
USD 29.95
Price excludes VAT (USA)
  • Available as PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
eBook
USD 84.99
Price excludes VAT (USA)
  • Available as EPUB and PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
Softcover Book
USD 109.99
Price excludes VAT (USA)
  • Compact, lightweight edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info
Hardcover Book
USD 109.99
Price excludes VAT (USA)
  • Durable hardcover edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info

Tax calculation will be finalised at checkout

Purchases are for personal use only

Institutional subscriptions

References

  1. C. Rudowicz, S.K. Misra, Appl. Spectrosc. Rev. 36(1), 11–63 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  2. D. Gatteschi, R. Sessoli, J. Villain, Molecular Nanomagnets (Oxford University Press, Oxford, 2006)

    Book  Google Scholar 

  3. A. Abragam, B. Bleaney, Electron Paramagnetic Resonance of Transition Ions (Dover, New York, 1986)

    Google Scholar 

  4. C. Rudowicz, C.Y. Chung, J. Phys. Condens. Matter 16(32), 5825 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  5. S. Stoll, A. Schweiger, J. Magn. Reson. 178(1), 42–55 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  6. S. Hill, M. Murugesu, G. Christou, Phys. Rev. B 80, 174416 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  7. H.M. Quddusi, J. Liu, S. Singh, K.J. Heroux, E. del Barco, S. Hill, D.N. Hendrickson, Phys. Rev. Lett. 106, 227201 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  8. J. Liu, C.C. Beedle, H.M. Quddusi, E. del Barco, D.N. Hendrickson, S. Hill, Polyhedron 30, 2965–2968 (2011)

    Article  Google Scholar 

  9. K.J. Heroux, H.M. Quddusi, J. Liu, J.R. O’Brien, M. Nakano, E. del Barco, S. Hill, D.N. Hendrickson, Inorg. Chem. 50, 7367–7369 (2011)

    Article  Google Scholar 

  10. C.C. Beedle, W.-G. Wang, C. Koo, J. Liu, A.-J. Zhou, M. Nakano, J.R. O’Brien, W. Wernsdorfer, S. Hill, M.-L. Tong, X.-M. Chen, D.N. Hendrickson, Inorganic Chemistry (2013). Under review

    Google Scholar 

  11. S. Hill, J.A.A.J. Perenboom, N.S. Dalal, T. Hathaway, T. Stalcup, J.S. Brooks, Phys. Rev. Lett. 80, 2453–2456 (1998)

    Article  ADS  Google Scholar 

  12. A.L. Barra, D. Gatteschi, R. Sessoli, Chemistry 6(9), 1608–1614 (2000)

    Article  Google Scholar 

  13. S. Takahashi, R.S. Edwards, J.M. North, S. Hill, N.S. Dalal, Phys. Rev. B 70(9), 094429 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. C. Kirman, J. Lawrence, S. Hill, E.-C. Yang, D.N. Hendrickson, J. Appl. Phys. 97(10), 10M501 (2005)

    Article  Google Scholar 

  15. S. Carretta, E. Liviotti, N. Magnani, P. Santini, G. Amoretti, Phys. Rev. Lett. 92(20), 207205 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  16. A. Wilson, J. Lawrence, E.C. Yang, M. Nakano, D.N. Hendrickson, S. Hill, Phys. Rev. B 74(14), 140403 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  17. C.M. Ramsey, E. del Barco, S. Hill, S.J. Shah, C.C. Beedle, D.N. Hendrickson, Nat. Phys. 4, 277–281 (2008)

    Article  Google Scholar 

  18. S. Hill, S. Datta, J. Liu, R. Inglis, C.J. Milios, P.L. Feng, J.J. Henderson, E. del Barco, E.K. Brechin, D.N. Hendrickson, Dalton Trans. 39(20), 4693–4707 (2010)

    Article  Google Scholar 

  19. E.-C. Yang, C. Kirman, J. Lawrence, L.N. Zakharov, A.L. Rheingold, S. Hill, D.N. Hendrickson, Inorg. Chem. 44(11), 3827–3836 (2005)

    Article  Google Scholar 

  20. R. Maurice, C. deGraaf, N. Guihéry, Phys. Rev. B 81, 214427 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. J.J. Henderson, C. Koo, P.L. Feng, E. del Barco, S. Hill, I.S. Tupitsyn, P.C.E. Stamp, D.N. Hendrickson, Phys. Rev. Lett. 103, 017202 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. P.L. Feng, C. Koo, J.J. Henderson, M. Nakano, S. Hill, E. del Barco, D.N. Hendrickson, Inorg. Chem. 47(19), 8610–8612 (2008)

    Article  Google Scholar 

  23. P.L. Feng, C. Koo, J.J. Henderson, P. Manning, M. Nakano, E. del Barco, S. Hill, D.N. Hendrickson, Inorg. Chem. 48(8), 3480–3492 (2009)

    Article  Google Scholar 

  24. G. Redler, C. Lampropoulos, S. Datta, C. Koo, T.C. Stamatatos, N.E. Chakov, G. Christou, S. Hill, Phys. Rev. B 80(9), 094408 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  25. G.F. Koster, J.O. Dimmock, P.G. Wheeler, H. Statz, Properties of the Thirty-Two Point Groups (MIT Press, Cambridge, 1963)

    Google Scholar 

  26. F.A. Cotton, Chemical Applications of Group Theory, 3rd edn. (Wiley-Interscience, New York, 1990)

    Google Scholar 

  27. E. Liviotti, S. Carretta, G. Amoretti, J. Chem. Phys. 117(7), 3361–3368 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  28. A.-L. Barra, A. Caneschi, A. Cornia, D. Gatteschi, L. Gorini, L.-P. Heiniger, R. Sessoli, L. Sorace, J. Am. Chem. Soc. 129(35), 10754–10762 (2007)

    Article  Google Scholar 

  29. J. van Slageren, S. Vongtragool, B. Gorshunov, A. Mukhin, M. Dressel, Phys. Rev. B 79, 224406 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  30. W. Wernsdorfer, S. Bhaduri, C. Boskovic, G. Christou, D.N. Hendrickson, Phys. Rev. B 65, 180403 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  31. S. Maccagnano, R. Achey, E. Negusse, A. Lussier, M.M. Mola, S. Hill, N.S. Dalal, Polyhedron 20, 1441 (2001)

    Article  Google Scholar 

  32. K. Park, M.A. Novotny, N. Dalal, S. Hill, P. Rikvold, Phys. Rev. B 65, 014426 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. S. Hill, S. Maccagnano, K. Park, R.M. Achey, J.M. North, N.S. Dalal, Phys. Rev. B 65, 224410 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  34. K. Park, M.A. Novotny, N.S. Dalal, S. Hill, P. Rikvold, Phys. Rev. B 66, 144409 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  35. E.M. Chudnovsky, D.A. Garanin, Phys. Rev. Lett. 87(18), 187203 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  36. E.M. Chudnovsky, D.A. Garanin, Phys. Rev. B 65, 094423 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  37. K.M. Mertes, Y. Suzuki, M.P. Sarachik, Y. Paltiel, H. Shtrikman, E. Zeldov, E.M. Rumberger, D.N. Hendrickson, G. Christou, Phys. Rev. Lett. 87(22), 227205 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  38. E. del Barco, A.D. Kent, E.M. Rumberger, D.N. Hendrickson, G. Christou, Europhys. Lett. 60, 768–774 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  39. E. del Barco, A.D. Kent, E.M. Rumberger, D.N. Hendrickson, G. Christou, Phys. Rev. Lett. 91, 047203 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  40. E. del Barco, A.D. Kent, S. Hill, J.M. North, N.S. Dalal, E.M. Rumberger, D.N. Hendrickson, N. Chakov, G. Christou, J. Low Temp. Phys. 140, 119–174 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  41. A. Cornia, R. Sessoli, L. Sorace, D. Gatteschi, A.L. Barra, C. Daiguebonne, Phys. Rev. Lett. 89, 257201 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  42. S. Hill, R.S. Edwards, S.I. Jones, J.M. North, N.S. Dalal, Phys. Rev. Lett. 90, 217204 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  43. R. Bircher, G. Chaboussant, A. Sieber, H.U. Güdel, H. Mutka, Phys. Rev. B 70, 212413 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  44. S. Hill, N. Anderson, A. Wilson, S. Takahashi, K. Petukhov, N.E. Chakov, M. Murugesu, J.M. North, E. del Barco, A.D. Kent, N.S. Dalal, G. Christou, Polyhedron 24, 2284–2292 (2005)

    Article  Google Scholar 

  45. N.E. Chakov, S.-C. Lee, A.G. Harter, P.L. Kuhns, A.P. Reyes, S.O. Hill, N.S. Dalal, W. Wernsdorfer, K.A. Abboud, G. Christou, J. Am. Chem. Soc. 128, 6975–6989 (2006)

    Article  Google Scholar 

  46. P. Subedi, A.D. Kent, B. Wen, M.P. Sarachik, Y. Yeshurun, A.J. Millis, S. Mukherjee, G. Christou, Phys. Rev. B 85, 134441 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  47. C. Lampropoulos, M. Murugesu, A.G. Harter, W. Wernsdofer, S. Hill, N.S. Dalal, K.A. Abboud, G. Christou, Inorg. Chem. 52, 258–272 (2013)

    Article  Google Scholar 

  48. E. del Barco, A.D. Kent, N.E. Chakov, L.N. Zakharov, A.L. Rheingold, D.N. Hendrickson, G. Christou, Phys. Rev. B 69, 020411 (2004)

    Article  Google Scholar 

  49. C. Carbonera, F. Luis, J. Campo, J. Sánchez-Marcos, A. Camón, J. Chaboy, D. Ruiz-Molina, I. Imaz, J. vanSlageren, S. Dengler, M. González, Phys. Rev. B 81, 014427 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  50. E. Burzurí, C. Carbonera, F. Luis, D. Ruiz-Molina, C. Lampropoulos, G. Christou, Phys. Rev. B 80, 224428 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  51. J.F. Fernandez, F. Luis, J. Bartolome, Phys. Rev. Lett. 80, 5659–5662 (1998)

    Article  ADS  Google Scholar 

  52. F. Luis, J. Bartolome, J.F. Fernandez, Phys. Rev. B 57, 505–513 (1998)

    Article  ADS  Google Scholar 

  53. N.V. Prokof’ev, P.C.E. Stamp, Phys. Rev. Lett. 80, 5794–5797 (1998)

    Article  ADS  Google Scholar 

  54. J. Lawrence, E.-C. Yang, R. Edwards, M.M. Olmstead, C. Ramsey, N.S. Dalal, P.K. Gantzel, S. Hill, D.N. Hendrickson, Inorg. Chem. 47, 1965–1974 (2008)

    Article  Google Scholar 

  55. A. Garg, Europhys. Lett. 22(3), 205 (1993)

    Article  ADS  Google Scholar 

  56. C.-S. Park, A. Garg, Phys. Rev. B 65, 064411 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  57. F. Li, A. Garg, Phys. Rev. B 83(13), 132401 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  58. J. Liu, E. del Barco, S. Hill, Phys. Rev. B 85(1), 012406 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  59. E.-C. Yang, W. Wernsdorfer, S. Hill, R.S. Edwards, M. Nakano, S. Maccagnano, L.N. Zakharov, A.L. Rheingold, G. Christou, D.N. Hendrickson, Polyhedron 22, 1727–1733 (2003)

    Article  Google Scholar 

  60. E.-C. Yang, W. Wernsdorfer, L.N. Zakharov, Y. Karaki, A. Yamaguchi, R.M. Isidro, G.-D. Lu, S.A. Wilson, A.L. Rheingold, H. Ishimoto, D.N. Hendrickson, Inorg. Chem. 45, 529–546 (2006)

    Article  Google Scholar 

  61. J. Lawrence, S. Hill, E.-C. Yang, D.N. Hendrickson, Phys. Chem. Chem. Phys. 2009(11), 6743–6749 (2009)

    Article  Google Scholar 

  62. R. Inglis, S.M. Taylor, L.F. Jones, G.S. Papaefstathiou, S.P. Perlepes, S. Datta, S. Hill, W. Wernsdorfer, E.K. Brechin, in Dalton Transactions, (2009), pp. 9157–9168

    Google Scholar 

  63. R. Inglis, L.F. Jones, C.J. Milios, S. Datta, A. Collins, S. Parsons, W. Wernsdorfer, S. Hill, S.P. Perlepes, S. Piligkos, E.K. Brechin, in Dalton Transactions, (2009), pp. 3403–3412

    Google Scholar 

  64. E. del Barco, S. Hill, C.C. Beedle, D.N. Hendrickson, I.S. Tupitsyn, P.C.E. Stamp, Phys. Rev. B 82, 104426 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  65. W. Wernsdorfer, T.C. Stamatatos, G. Christou, Phys. Rev. Lett. 101, 237204 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  66. E. del Barco, S. Hill, D.N. Hendrickson, Phys. Rev. Lett. 103, 059701 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  67. C.J. Milios, A. Vinslava, W. Wernsdorfer, S. Moggach, S. Parsons, S.P. Perlepes, G. Christou, E.K. Brechin, J. Am. Chem. Soc. 129(10), 2754–2755 (2007)

    Article  Google Scholar 

  68. O. Waldmann, Inorg. Chem. 46, 10035–10037 (2007)

    Article  Google Scholar 

  69. W.H. Harman, T.D. Harris, D.E. Freedman, H. Fong, A. Chang, J.D. Rinehart, A. Ozarowski, M.T. Sougrati, F. Grandjean, G.J. Long, J.R. Long, C.J. Chang, J. Am. Chem. Soc. 132, 18115–18126 (2010)

    Article  Google Scholar 

  70. J.M. Zadrozny, J. Liu, N.A. Piro, C.J. Chang, S. Hill, J.R. Long, Chem. Commun. 48, 3927–3929 (2012)

    Article  Google Scholar 

  71. R. Ruamps, R. Maurice, M. Boggio-Pasqual, N. Guihery, L. Batchelor, J. Liu, S. Hill, T. Mallah, A.-L. Barra, J. Am. Chem. Soc. 135, 3017–3026 (2013)

    Article  Google Scholar 

  72. N. Ishikawa, M. Sugita, T. Ishikawa, S. Koshihara, Y. Kaizu, J. Am. Chem. Soc. 125, 8694–8695 (2003)

    Article  Google Scholar 

  73. M. AlDamen, J.M. Clemente-Juan, E. Coronado, C. Martì-Gastaldo, A. Gaita-Ariǹo, J. Am. Chem. Soc. 130, 8874–8875 (2008)

    Article  Google Scholar 

  74. J.D. Rinehart, J.R. Long, J. Am. Chem. Soc. 131, 12558–12559 (2009)

    Article  Google Scholar 

  75. S. Ghosh, S. Datta, L. Friend, S. Cardona-Serra, E. Coronado, S. Hill, Dalton Trans. 41, 13697 (2012)

    Article  Google Scholar 

Download references

Acknowledgements

This work was supported by the US National Science Foundation, grant numbers DMR0804408 (SH), CHE0924374 (SH), and DMR0747587 (EdB). Work performed at the National High Magnetic Field Laboratory is supported by the National Science Foundation (grant number DMR1157490), the State of Florida and the Department of Energy.

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Enrique del Barco .

Editor information

Editors and Affiliations

Rights and permissions

Reprints and permissions

Copyright information

© 2014 Springer-Verlag Berlin Heidelberg

About this chapter

Cite this chapter

Liu, J., del Barco, E., Hill, S. (2014). A Microscopic and Spectroscopic View of Quantum Tunneling of Magnetization. In: Bartolomé, J., Luis, F., Fernández, J. (eds) Molecular Magnets. NanoScience and Technology. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-40609-6_4

Download citation

Publish with us

Policies and ethics