Спин-орбитальное взаимодействие

Спин-орбита́льное взаимоде́йствие, взаимодействие между движущейся частицей и её собственным магнитным моментом, обусловленным спином частицы. Оно является существенно релятивистским эффектом, и энергия этого взаимодействия может быть получена на основе уравнения Дирака. Наиболее простым примером спин-орбитального взаимодействия является взаимодействие электрона, находящегося на одной из орбит в атоме, с собственным спином. Это взаимодействие приводит к возникновению тонкой структуры энергетического спектра электрона и расщеплению атомных спектральных линий.

Спин-орбитальное взаимодействие растёт с увеличением заряда ядра и становится существенным для тяжёлых атомов и ионов, в том числе для редкоземельных 4f-, переходных 5d- и, особенно, актинидных 5f-элементов. В кристаллическом твёрдом теле парамагнитные ионы (например, ионы с незаполненной d- или f- атомной оболочкой) образуют локализованные электронные состояния. В этом случае структура атомоподобных электронных уровней формируется внутренними магнитными спин-орбитальными взаимодействиями и взаимодействиями с электрическим кристаллическим полем. Для редкоземельных ионов спин-орбитальное взаимодействие сильнее, чем кристаллическое поле, и полный механический момент импульса ${\displaystyle {\boldsymbol {J}}}$ электронной оболочки складывается из полных орбитального момента ${\displaystyle {\boldsymbol {L}}}$ и спинового момента ${\displaystyle {\boldsymbol {S}}}$ всех электронов: ${\displaystyle {\boldsymbol {J}}={\boldsymbol {L}}+{\boldsymbol {S}}}$. Для актинидных элементов спин-орбитальное взаимодействие ещё более сильное и в этом случае часто используется приближение т. н. jj-связи, когда вначале складываются спиновый и орбитальный моменты отдельного электрона, а затем складываются полные моменты всех электронов.

При рассмотрении спин-орбитального взаимодействия важен вопрос о вырождении электронных состояний. Для невырожденных волновых функций (например, для блоховских электронов в кристалле) диагональные матричные элементы спин-орбитального взаимодействия исчезают, поэтому линейные по нему поправки к энергии отсутствуют. Вместе с тем в вырожденном случае (например, для свободного атома) имеет место расщепление уровней в первом порядке теории возмущений по спин-орбитальному взаимодействию.

В металлах орбитальные моменты практически полностью замораживаются зонным движением электронов, и в общем масштабе зонных энергий роль спин-орбитального взаимодействия невелика. Однако оно может играть относительно важную роль в зонной структуре вблизи уровня Ферми, в частности слегка расщепляя полосы, которые были бы вырожденными в отсутствие спин-орбитального взаимодействия. Возникающие подзоны могут быть описаны различными эффективными моделями, обычно основанными на теории возмущений.

В полупроводниках энергия спин-орбитального взаимодействия обратно пропорциональна ширине запрещённой зоны, так что оно может проявляться намного сильнее (эффект Рашбы). Спин-орбитальное взаимодействие типа Рашбы важно для объяснения внутреннего спинового эффекта Холла.

Релятивистское спин-орбитальное взаимодействие, наряду с электростатическими обменными взаимодействиями, играет важную роль в магнитных кристаллах. Оно приводит к частичному размораживанию орбитальных магнитных моментов и ответственно за анизотропию магнитных и кинетических свойств. Спин-орбитальное взаимодействие особенно важно для аномальных гальваномагнитных и термомагнитных свойств.

Кроме собственного спин-орбитального взаимодействия (орбитальные электронные токи в магнитном поле собственного спинового момента), существует также несобственное спин-орбитальное взаимодействие – взаимодействие орбитальных токов со спинами других электронов. Роль собственного и несобственного спин-орбитального взаимодействия различна в различных явлениях. Для гальваномагнитных эффектов в d-магнетиках можно выделить два случая. В первом случае подвижность d-электронов высока, они напрямую определяют гальваномагнитные явления и собственное спин-орбитальное взаимодействие для делокализованных электронов играет доминирующую роль. Во втором случае электроны разделяют на две группы – s-электроны проводимости с малой намагниченностью и «магнитные» d-электроны с малой подвижностью. Тогда из всех возможных типов спин-орбитального взаимодействия наиболее важны собственное d–d-взаимодействие и несобственное s–d-взаимодействие s-электронных орбит со спинами d-электронов.