Magnetic properties of hexamethylbenzene

Abstract

Magnetic susceptibility χ(T) measurements on hexamethylbenzene C₆(CH₃)₆ (HMB) as well as its deuterated analogue C₆(CD₃)₆ (HMB-d₁₈) in the range of 2–300 K are presented. When cooling, an uptick is detected in χ(T) when the external magnetic field is applied along the direction of the molecular planes which coincide with the onset of intra-molecular coupling of the CH₃ groups at T'C_H = 110.8 K for HMB and CD₃ groups at T'C_D = 126.7 K for HMB-d₁₈. Upon warming, the same discontinuities occur near TC_H = 117.8 K and TC_D = 132.2 K. Near 40 K, a peak anomaly is observed believed to be the system accessing its ground tunneling state. Near 20 K, the divergence of χ(T) suggests the establishment of long-range ordering, viz., inter-molecular gearing of the methyl group rotations. When the external magnetic field is applied perpendicular to the molecular planes, χ(T) is independent of temperature. Our findings reveal how correlated periodic motion of protons, a phenomenon inherent in many molecular solids, exhibits magnetic behavior that has been thus far overlooked.

Представлено вимірювання магнітної сприйнятливості χ(T) гексаметилбензолу C₆(CH₃)₆ (HMB), а також його дейтерованого аналога C₆(CD₃)₆ (HMB-d₁₈) в діапазоні 2–300 К. При прикладенні зовнішнього магнітного поля вздовж напрямку молекулярних площин та охолодженні виявлено сплеск в χ(T), що зумовлено виникненням внутрішньомолекулярної взаємодії груп CH₃ при TC_H ′ =110,8 К для HMB та груп CD₃ при TC_D ′ =126,7 К для HMB-d₁₈. При нагріванні такі ж особливості спостерігалися поблизу TC_H = 117,8 К та TC_D = 132,2 К. Пікова аномалія поблизу 40 К імовірно обумовлена досягненням системою основного тунельного стану. Близько 20 К розбіжність χ(T) може підтверджувати встановлення далекого порядку унаслідок міжмолекулярної обертальної взаємодії метильних груп. У разі прикладення зовнішнього магнітного поля перпендикулярно до молекулярних площин χ(T) не залежить від температури. Наші результати демонструють, як корельований періодичний рух протонів, притаманний багатьом молекулярним твердим тілам, впливає на поведінку їх магнітних властивостей, що досі не враховувалося.

Представлены измерения магнитной восприимчивости χ(T) гексаметилбензола C₆(CH₃)₆ (HMB), а также его дейтерированного аналога C₆(CD₃)₆ (HMB-d₁₈) в диапазоне 2–300 К. При приложении внешнего магнитного поля вдоль направления молекулярных плоскостей и охлаждении обнаружен всплеск в χ(T), обусловленный возникновением внутримолекулярного взаимодействия групп CH₃ при TC_H ′ =110,8 К для HMB и групп CD₃ при TC_D ′ =126,7 К для HMB-d₁₈. При нагревании такие же особенности наблюдались вблизи TC_H = 117,8 К и TC_D = 132,2 К. Пиковая аномалия вблизи 40 К предположительно обусловлена достижением системой основного туннельного состояния. Около 20 К расхождение χ(T) может подтверждать установление дальнего порядка вследствие межмолекулярного вращательного взаимодействия метильных групп. В случае приложения внешнего магнитного поля перпендикулярно молекулярным плоскостям χ(T) не зависит от температуры. Наши результаты демонстрируют, как коррелированное периодическое движение протонов, присущее многим молекулярным твердым телам, влияет на поведение их магнитных свойств, что до сих пор не учитывалось.