理论化学家已经开发了一种从真实空间角度理解磁自旋耦合的方法,他们考虑电子的离域化,而不是专注于单电子轨道的图像。与现有的磁自旋耦合模型完全兼容,这一新视角有助于促进我们对这一现象的理解。

许多现代技术依赖于通过控制化学物质来控制系统的磁性。理解磁自旋耦合是理解和控制这些磁相互作用的关键,这种理解目前使用的是单电子图像,其中电子被限制在单个轨道上,轨道重叠决定了相互作用。

“我们希望将轨道思维转变为一种独立于轨道的思维,这种思维依赖于你选择的轨道类型,可以用于任何波函数、任何模型或任何计算方案,”解释说Ángel Martín Pendás来自西班牙奥维耶多大学,他领导了这项工作。“我们正在从轨道和重叠中重新阐述化学语言,即电子如何在空间中离域。”

磁耦合的实际空间等价可以理解为系统的未配对电子能够离域的程度。由于泡利原理,任何阻碍这种空间离域化的障碍都可能对自旋向上和自旋向下的电子产生不同的影响,因此,磁中心的离域性会发生变化,优先考虑铁磁耦合或反铁磁耦合。

“这项研究是Oviedo团队一直在进行的物理和化学现象的真实空间解释的优秀研究项目的一部分,”评论道保罗Popelier他在英国曼彻斯特大学利用计算化学研究分子间相互作用。“同样,在像磁自旋耦合这样基本的情况下,轨道不变实空间解释消除了对直接交换和离子反铁磁贡献的操纵。”

通过观察磁自旋耦合的两种最简单的情况,即H2以及H-He-H桥,研究人员表明,电子离域驱动了单线态-三线态间隙的形成(这是控制技术应用磁性的关键)。因此,这种新方法可以发现调整从轨道角度看不清楚的材料磁性的方法。

Martín Pendás希望这一新视角将为理解使用轨道相关图像不容易掌握的问题开辟途径。Popelier补充说:“量子化学拓扑的实空间方法是一个受欢迎的发展,并提供了近50年历史的Hay, Thibeault, Hoffmann (HTH)范式的替代。”

对于他们的下一个挑战,Martín Pendás和他的团队希望解决轨道角动量的普遍化问题,并以此开发工具,从完全独立于轨道的角度研究真实系统的过程。