Mn12

La aplicación de un campo magnético externo (durante un barrido) llega a invertir el sentido del campo magnético de un imán. Una vez que se ha invertido el sentido de la magnetización, se aplica un campo externo inverso y se vuelve a medir la magnetización. La magnitud del campo externo necesario para invertir la magnetización, se llama campo coercitivo. En ausencia de campo magnético externo, se puede medir la magnetización remanente que es propia de cada material, como en los imanes tradicionales. Si se mantiene el campo nulo (o casi nulo) sobre la temperatura de Neel se observa una relajación lenta (pérdida de la magnetización) o desmagnetización. El campo magnético residual a temperaturas inferiores a la temperatura de Neel se llama campo remanente y esta puede durar desde algunas horas hasta meses.

Como característica diferencial de los ciclos de histéresis magnética en el Mn12 (y otros imanes monomoleculares) frente a los imanes tradicionales, se aprecian escalones de relajación rápida de la magnetización a ciertos campos magnéticos. Los materiales magnéticos convencionales no presentan estos escalones, solo muestran un comportamiento sigmoide que es función de la temperatura.

Se puede racionalizar la posición, altura y forma de estos escalones por combinación de tres tipos de procesos: (1) excitaciones térmicas (que involucran a fonones) que permiten superar la barrera de potencial, que dominan a alta temperatura; (2) procesos de túnel desde el estado fundamental, que dominan a las temperaturas más bajas y (3) procesos de túnel a través de la barrera desde estados excitados bajos en energía, que son importantes a temperaturas intermedias. En estos procesos, el hamiltoniano unimolecular se ve perturbado por las interacciones dipolares entre moléculas.^[2]

A bajas temperaturas (pocos Kelvin), el Mn12 está atrapado en los pozos de ${\displaystyle M_{s}=\pm 10}$. Si hay un campo aplicado, los pozos están a distintas alturas, y el sistema estará atrapado en el pozo de menor energía, en el que el momento magnético está alineado con el campo externo. No todas las moléculas estarán en el estado de máximo ${\displaystyle M_{s}}$ (salvo a temperaturas de fracción de K), sino que habrá poblados estados ${\displaystyle M_{s}=+10,+9,+8...}$

Los estados con dos unidades de diferencia en ${\displaystyle M_{s}}$ pueden mezclarse, por acoplamiento entre los estados de espín y los fonones (vibraciones moleculares o de la red cristalina). La propagación de esta mezcla, cada vez con menor intensidad, hace posible la transición entre los niveles ${\displaystyle M_{s}=-10}$ y ${\displaystyle M_{s}=+10}$. Obviamente, la probabilidad de esta transición será casi nula, y serán mucho más elevadas las de transiciones como ${\displaystyle M_{s}=-6\rightarrow M_{s}=+4}$ o ${\displaystyle M_{s}=-5\rightarrow M_{s}=+5}$. Así pues, este mecanismo sólo es posible a temperaturas relativamente elevadas.

Si se va disminuyendo el campo magnético aplicado, los niveles de los dos pozos irán cruzándose (mucho antes de llegar al punto en el que se crucen los dos pozos, con coincidencia de energías para todo ${\displaystyle M_{s}=\pm i}$). En cada cruce entre niveles, será posible una transición por efecto túnel cuántico. Si se produce esa transición, la molécula afectada verá invertida su magnetización. Como consecuencia, los ciclos de histéresis medidos presentan escalones.

No todos las coincidencias de niveles de energía llevan a transiciones por efecto túnel con la misma probabilidad: Por una parte, para que la transición sea probable, tiene que haber solapamiento entre las funciones de onda implicadas. Esto hace que, dependiendo de los parámetros del sistema concreto, unos cruzamientos u otros sean más probables (por ejemplo, pueden ser especialmente intensos entre los niveles ${\displaystyle M_{s}(1)=+4}$ y ${\displaystyle M_{s}(2)=-6}$, o entre los niveles ${\displaystyle M_{s}=\pm 5}$). Por otra parte, el nivel origen de la transición ha de estar poblado para que esta ocurra. A temperaturas sub-Kelvin, puede estar poblado sólo el estado ${\displaystyle M_{s}(1)=+10}$, pero a temperaturas superiores ocurrirán transiciones desde niveles más altos en energía. Este es el fenómeno conocido como "túnel cuántico asistido térmicamente".

Se ha aprovechado el método de Landau-Zener para estudiar el efecto de túnel cuántico de la magnetización.^[3]

• Sessoli, R.; Gatteschi, D.; Caneschi, A.; Novak, M.A. (1993). «Magnetic bistability in a metal-ion cluster». Nature 365. 141-143. 
• Bagai, Rashmi and Christou, George (2009). «The Drosophila of single-molecule magnetism: Mn12O12(O2CR)16(H2O)4». Chemical Society Reviews 38. 1011-1026. Archivado desde el original el 1 de julio de 2015. Consultado el 28 de marzo de 2010.