¿Qué es el intercambio antisimétrico? ¿Qué es la tensión J? ¿De dónde procede?

Question

Estoy leyendo un artículo 1 por Sanakis, y otros. que caracteriza el acoplamiento magnético en el $\ce{Fe3S4}$ presentes en la ferredoxina II bacteriana y en la aconitasa del corazón de vacuno como surgidos a través de algo llamado "intercambio antisimétrico". Esto parece ser el resultado de la aparente frustración magnética del sistema (tres espines altos $\ce{Fe^{3+}}$ iones, todos en entornos esencialmente idénticos, todos antiferromagnéticamente acoplados con respecto a sus vecinos). El artículo dice que los cúmulos tienen un estado básico S=1/2, lo que es incompatible con un modelo de simetría rota.

El artículo de la wikipedia sobre intercambio antisimétrico (las cuatro frases) no es especialmente edificante. Espero que un experto pueda explicar qué es el intercambio antisimétrico y qué lo causa, ya que no he oído hablar de él antes. El documento también señala que la situación de intercambio en el cúmulo da lugar a tres $J_{ij}$ (de nuevo, a pesar de la simetría de los iones) y denomina esto ' Cepa J '. Esto me hace dudar de que, por ejemplo, "antisimétrico" se utilice como sinónimo de "antiferromagnético".

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Este es un ejemplo de la conectividad general de este tipo de $\ce{Fe3S4}$ cluster (basado en D. Gigas FdII (entrada PDB 1F2G )). El racimo comprende un hemicubano. $\ce{S_{Cys}}$ denota un azufre cisteínico.

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(1) Sanakis, Y.; Macedo, A.L.; Moura, I.; Moura, J.J.G.; Papaefthymiou, V.; Münck, E.; Pruebas del intercambio antisimétrico en el cuboidal $\ce{[3Fe-4S]^+}$ Agrupaciones ; J. Am. Chem. Soc.; 2000 , 122, pp. 11855-11863

Answer 1

Tal vez la OP ya se haya puesto en contacto con los autores de este artículo, pero esto era interesante. No soy un experto pero puedo buscar cosas en Google y esto era demasiado largo para un comentario.

Intercambio antisimétrico: Al principio pensé que era simplemente un interacción de intercambio donde el signo de la función de onda se cambia durante el intercambio, ahora no creo que sea tan simple.

El intercambio antisimétrico también se conoce como DM-interacción (para Dzyaloshinskii-Moriya). No sé exactamente lo que es, aquí está la cita del papel original - no se puede encontrar en cualquier lugar sin embargo.

I.E. Dzyaloshinskii, Thermodynamic theory of weak ferromagnetism in antiferromagnetic substances, Sov. Phys. JETP 5(6), 1259-1272 (1957)

Una definición

Una presentación de diapositivas, que contiene más información (diapositivas 16-23)

La cepa J: Leyendo esto, la "cepa J" no es la única "cepa" a la que se hace referencia en este documento. También se hace referencia a la "cepa G", que tiene una artículo esclarecedor de Wikipedia .

Así que, tal vez sea seguro decir que, al igual que la deformación G, la deformación J es la ampliación de las "constantes de acoplamiento de intercambio distribuido" (también conocidas como valores J). Se deduce de una línea del artículo: "Ambas proteínas presentan valores J distribuidos (J-strain)".

¿Qué tiene que ver la cepa J con el experimento? "...La tensión J observada, que presumiblemente representa una distribución de las conformaciones de la proteína "bloqueada" al congelar las muestras".

¿De dónde procede el ensanchamiento de los valores J (constantes de acoplamiento de intercambio), también conocido como tensión J? Bueno, aparentemente hay una cosa llamada Acoplamiento en J que parece relevante. El acoplamiento J también se conoce como acoplamiento indirecto dipolo-dipolo, y proporciona información sobre la interconectividad de las moléculas. El acoplamiento J relaciona los núcleos con los electrones locales (todo esto es del artículo sobre el acoplamiento J). El ensanchamiento de las líneas puede provenir de las interacciones anisótropas, que afectan a los niveles de energía del espín nuclear. Por supuesto, el artículo dice que no puede descartar la anisotropía. ¿Una fuente alternativa? Regiones no homogéneas en la muestra, que podrían volver a las conformaciones congeladas/bloqueadas.

No obstante, creo que sería estupendo que alguien que investigue en física en este campo pudiera dilucidar algo más.

Otra página web de acoplamiento en J (U. Wisc)

Por supuesto, debería citar el artículo original, "Evidence for Antisymmetric Exchange in Cuboidal [3Fe-4S]+ Clusters". Enlazado en cuestión.

Answer 2

Se trata del hamiltoniano de espín del sistema, y se parece más a nombrar una observación empírica que a dar una explicación física real.

Así que en los sistemas de espín más simples (regulares) un Hamiltoniano con H=JS1S2 donde J es un escalar maneja bastante bien el comportamiento del espín. Nótese que en este caso no hay preferencia de orientación para el espín acoplado en comparación con cualquier eje interno, por ejemplo, la orientación del ligando o algo así, sólo dice si S=S1+S2 o S=S1-S2 es más estable (es decir, material ferro o antiferromagnético). A veces hay una preferencia de orientación de S1, S2.. en comparación con el eje molecular local, por ejemplo, S1 prefiere alinearse con el eje local z. Esto se puede modelar con el desdoblamiento de campo cero, es decir, se tiene un Hamiltoniano de tipo DS1^2 .. además. Ahora bien, el intercambio asimétrico es una contribución cuando la interacción de intercambio tiene una preferencia direccional, es decir, JS1S2 con el escalar J no es suficiente ya que sería totalmente anisotrópico. Mientras que en tu sistema hay una frustración magnética, la razón del intercambio asimétrico son los efectos relativistas similares al desdoblamiento del campo cero. Hay estados excitados de baja energía que se mezclan en el estado de tierra debido al fuerte acoplamiento espín-órbita. Como el hierro(III) no tiene tales estados, supongo que proviene del electrón extra del hierro(II). Pero es sólo una suposición sin fundamento. Creo que no tiene nada que ver con la tensión de espín (que también existe con el simple acoplamiento JSS), es sólo que la tensión hace que sea más fácil de observar.

Nótese que el modelo espín-hamiltoniano es sólo una parametrización empírica del comportamiento del espín (por ejemplo, la descripción de los espectros EPR o Mossbauer en campo). Francamente, es muy raro ver que alguien saque alguna información física/química de él. Yo leería más los artículos posteriores del grupo Munck/Bominaar, ya que a menudo ponen algún modelo teórico (DFT y campo de ligandos) detrás de sus mediciones.