Quantum revivals and quantum spin tunneling in effective spin systems

Abstract

This work uses theoretical models first to analyse the recurrence behaviour of effective single spins and their connection to magnetic tunneling, secondly to study the magnetic tunneling dynamics of individual magnetic molecules, and thirdly to investigate the magnetization behaviour of open and closed exchange-coupled effective quantum spin chains. Regarding the recurrence behaviour, we analyse, with the help of the time-dependent Schrödinger equation, the precession behaviour of effective single spins under the influence of a uniaxial anisotropy. With regard to magnetic tunneling of single molecular magnets, the tunneling behaviour of effective two-level systems, where the Hamiltonian contains a transversal anisotropy and a transversal magnetic field, is investigated with the aid of the time-dependent perturbation calculation. Finally, this work deals with the magnetization behaviour of open and closed exchange-coupled effective quantum spin chains with the aim of reproducing experimental results that have so far avoided a theoretical description (open chain) and secondly with the search of stable configurations for ring-like closed spin chains, for systems which are subject to a uniaxial anisotropy, an exchange interaction and a dipolar interaction.

Diese Arbeit untersucht mithilfe von theoretischen Modellen das Wiederkehrverhalten von effektiven Einzelspins und deren Verbindung zum magnetischen Tunneln, die magnetische Tunneldynamik von einzelnen magnetischen Molekülen und das Magnetisierungsverhalten von offenen und geschlossenen austauschgekoppelten effektiven Quantenspinketten. Bezüglich des Wiederkehrverhaltens wird, unter Zuhilfenahme der zeitabhängigen Schrödingergleichung, das Präzessionsverhalten von effektiven Einzelspins, unter der Einwirkung einer uniaxialen Anisotropie, untersucht. Bezüglich des magnetischen Tunnelns von Einzel-Molekül-Magneten wird, mit Zuhilfenahme der zeitabhängigen Störungsrechnung, das Tunnelverhalten von beliebigen effektiven zwei Niveau Systemen, welche sich unter dem Einfluss einer transversalen Anisotropie und einem transversalen Magnetfeld befinden, untersucht. Schlussendlich behandelt diese Arbeit das Magnetisierungsverhalten von offenen und geschlossenen austauschgekoppelten effektiven Quantenspinketten mit dem Ziel erstens experimentelle Befunde zu reproduzieren, welche sich bisher einer theoretischen Beschreibung entzogen haben (offene Ketten) und zweitens stabile Konfigurationen für ringartige geschlossene Spinketten, für Systeme die einer uniaxialen Anisotropie, einer Austschauschwechselwirkung sowie einer dipolaren Wechselwirkung unterliegen, zu ermitteln.