Theory of intermolecular exchange in coupled spin- 12 nanographenes

超级交换 反铁磁性 物理 凝聚态物理 交换互动 分子间力 赫巴德模型 化学 海森堡模型 铁磁性 量子力学 分子 超导电性
作者
David Jacob,J. Fernández‐Rossier
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:106 (20) 被引量:21
标识
DOI:10.1103/physrevb.106.205405
摘要

Open-shell nanographenes can be covalently bonded and still preserve their local moments, forming interacting spin lattices. In the case of benzenoid nanographenes, the Ovchinnikov-Lieb rules anticipate the spin of the ground state of the superstructure and thereby the sign of the intermolecular exchange. Here we address the underlying microscopic mechanisms for intermolecular exchange in this type of system. We find that, in general, three different mechanisms contribute. First, Hund's ferromagnetic exchange that promotes ferromagnetic interactions of electrons in overlapping orbitals. Second, superexchange driven by intermolecular hybridization, identical to Anderson kinetic exchange, which is a decreasing function of the Hubbard-$U$ energy scale and is always antiferromagnetic. Third, a Coulomb-driven superexchange, that increases as a function of $U$ and involves virtual excitation of excited molecular orbitals that are extended over the entire structure. We find that Coulomb-driven superexchange can be either ferro- or antiferromagnetic, accounting for Ovchinnikov-Lieb rules. We compute these exchange energies for the case of coupled $S=1/2$ phenalenyl triangulenes, using multiconfigurational methods both with Hubbard and extended Hubbard models, thereby addressing the influence of long-range Coulomb interactions on the exchange interactions.

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