КО́СВЕННОЕ ОБМЕ́ННОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
КО́СВЕННОЕ ОБМЕ́ННОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ, обменное взаимодействие, возникающее между магнитными моментами локализованных электронов через возмущение др. электронной подсистемы: диамагнитных ионов (лигандов), окружающих магнитные ионы в магнитных диэлектриках, либо электронов проводимости в магнитных металлах и легированных полупроводниках. Для объяснения магнитных свойств всех этих веществ прямое обменное взаимодействие Гейзенберга – Дирака, как правило, оказывается слишком слабым.
Нидерл. физик X. А. Крамерс (1934) показал, что обменная связь магнитных ионов, окружённых диамагнитными ионами, может осуществляться через виртуальные возбуждения диамагнитной подсистемы кристалла. Ф. Андерсон (1950) развил эту идею, применив её к объяснению антиферромагнетизма диэлектрич. соединений переходных $d$-металлов типа МnО. Соответствующее сверхобменное взаимодействие (или К. о. в. Крамерса – Андерсона) описывается эффективным гамильтонианом Гейзенберга $H=–J_{ij}(\boldsymbol S_i \boldsymbol S_j)$ ($\boldsymbol S_i$ – операторы локализованных спинов) и включает в себя ферромагнитный потенциальный (электростатический) обмен и антиферромагнитный кинетический обмен. Знак и порядок величины параметров обмена $J_{ij}$ в зависимости от электронной конфигурации магнитного иона, симметрии кристаллич. окружения и угла между направлениями от лиганда на магнитные ионы $i$ и $j$ можно определить с помощью полуэмпирических правил Гуденафа – Канамори.
К. о. в. через электроны проводимости было предсказано амер. физиками М. Рудерманом и Ч. Киттелем (1954) для ядерных спинов в металлах при исследовании сверхтонкого взаимодействия. Теорию К. о. в. между магнитными моментами локализованных электронов через подвижные электроны проводимости развили япон. физики Т. Касуя и К. Иосида (1956–57) на основе $s–d(f)$-обменной модели Шубина – Вонсовского. Соответствующее взаимодействие Рудермана – Киттеля – Касуи – Иосиды (или РККИ-обменное взаимодействие) формально возникает во втором порядке теории возмущений по малому параметру $I$ – интегралу $s–d(f)$-обмена между локализованными электронами и электронами проводимости. Оно обусловлено возмущением спиновой плотности электронов проводимости локализованным моментом, которое воспринимается др. локализованными спинами. РККИ-обменное взаимодействие также имеет гейзенберговский вид, однако, в отличие от сверхобменного взаимодействия, соответствующий интеграл К. о. в. имеет дальнодействующий и осциллирующий характер спадания с расстоянием $R$: $J_{ij} \sim \cos (2k_{\text F} R_{ij})/R^3_{ij}$ при $𝑘_{\text F}R_{ij}≫1$, где $𝑘_{\text F}$ – фермиевский волновой вектор электронов проводимости. Такое поведение обусловлено скачком функции распределения электронов проводимости на ферми-поверхности.
РККИ-обменное взаимодействие играет определяющую роль в разбавленных твёрдых растворах магнитных ионов переходных металлов в немагнитной металлич. матрице (в т. ч. в спиновых стёклах), а также в магнетизме редкоземельных $f$-металлов и многих их проводящих соединений, задавая их магнитную структуру. В $f$-системах с тяжёлыми фермионами и т. н. решётках Кондо оно конкурирует с одноузельным Кондо эффектом. Для магнитных $d$-металлов группы железа и большинства их сплавов справедлива скорее картина зонного магнетизма. Однако в ряде случаев можно говорить о наличии достаточно хорошо определённых локализованных магнитных моментов, взаимодействие между которыми подобно РККИ-взаимодействию.
К. о. в. в легированных магнитных полупроводниках, а также в магнетиках с сильными корреляциями (узкими зонами проводимости, напр. в манганитах лантана) качественно отличается от РККИ-взаимодействия и имеет существенно негейзенберговский вид, поскольку здесь теория возмущений по параметру $I$ неприменима. Наличие в таких магнетиках небольшого числа носителей тока способствует ферромагнитному упорядочению локализованных магнитных моментов, причём выигрыш в энергии для упорядоченного состояния пропорционален концентрации носителей тока и энергии их переноса (см. Двойное обменное взаимодействие).