ゼロ磁場分裂

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ゼロ磁場分裂

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/07/19 08:15 UTC 版)

ゼロ磁場分裂（ゼロじばぶんれつ、Zero-field splitting, ZFS）とは複数の不対電子が存在する分子やイオンで生じる、スピン副準位のエネルギー分裂を記述する相互作用である。量子力学では複数の固有状態が同じエネルギーをとることを縮退と呼んでいる。磁場が存在すると、ゼーマン効果によって縮退したスピン副準位のエネルギーが分裂する。これは量子力学の用語では、磁場の存在によって縮退が解消される（=lifted）と表現される。二つ以上の不対電子が存在すると、それぞれの電子が持つ磁気モーメント間のスピン双極子相互作用により、スピン副準位の縮退は磁場が存在しなくても解消されている。ゼロ磁場分裂は分子性材料の磁気特性に関連する多くの効果の原因となり、これらの効果は電子スピン共鳴スペクトルや磁性に現れる。

ゼロ磁場分裂の典型的な例として、スピン三重項、すなわちS=1のスピン系が挙げられる。磁場が存在する場合、ゼーマン効果によって異なる磁気スピン量子数（M_S=0,±1）の準位が分裂する。磁場が存在しない場合、三重項の三つのスピン副準位は一次近似でエネルギーが等しい。しかし、不対電子間の磁気双極子相互作用を考慮するとスピン副準位のエネルギーは分裂する。この効果がゼロ磁場分裂の一例である。分裂の大きさは系の対称性に依存する。

量子力学による記述

ゼロ磁場分裂は現象論的なハミルトニアンとして次のように記述される。

${\hat {\mathcal {H}}}=D\left(S_{z}^{2}-{\frac {1}{3}}S(S+1)\right)+E(S_{x}^{2}-S_{y}^{2})$