Обменное взаимодействие в магнетизме
Обме́нное взаимоде́йствие в магнети́зме, взаимодействие обусловленное квантовомеханической связью между магнитными моментами атомных ядер, атомов, молекул газов и конденсированных сред. Магнитное диполь-дипольное взаимодействие между магнитными моментами атомов в соседних узлах кристаллической решётки с параметром имеет малую энергию, равную ( – магнетон Бора) и соответствующую температурам порядка К. Однако переходные металлы группы железа и многие их соединения обладают высокими значениями температуры магнитного упорядочения; их точки Кюри порядка 100–1000 К. Такое сильное взаимодействие между магнитными моментами не объясняется с позиций классической электродинамики и требует квантовомеханического подхода.
В отличие от магнитного взаимодействия, обменное взаимодействие имеет электростатическую природу и значительно бо́льшую величину. Различают прямое обменное взаимодействие и косвенное обменное взаимодействие. Прямое обменное взаимодействие осуществляется в случае перекрытия волновых функций электронов соседних магнитных атомов и сильно зависит от фактора их перекрытия. Косвенное обменное взаимодействие возникает между удалёнными магнитными атомами и осуществляется через немагнитные ионы в магнитных диэлектриках, немагнитные ионы и электроны проводимости в магнитных полупроводниках и через электроны проводимости в металлах. Оно связано с кинетической энергией электронов (т. е. перескоками электронов с узла на узел), и выигрыш в кинетической энергии достигается при антипараллельной ориентации спинов электронов, что приводит к антиферромагнитному взаимодействию. На реальных межатомных расстояниях косвенное обменное взаимодействие, как правило, преобладает над прямым. Таким образом, модель локализованных спинов не объясняет ферромагнетизм металлов группы железа; он связан с обменным взаимодействием коллективизированных электронов. Обменное взаимодействие между коллективизированными и локализованными состояниями (s–d- или s–f-обмен) играет важную роль в переходных и особенно в редкоземельных металлах и их соединениях; в частности, оно ответственно за эффект Кондо. В большинстве случаев реальные механизмы обменного взаимодействия сложны и должны рассматриваться конкретно для данного вещества.