Обменное взаимодействие
Обменное взаимодействие — взаимодействие тождественных частиц в квантовой механике, приводящее к зависимости значения энергии системы частиц от её полного спина. Представляет собой чисто квантовый эффект, исчезающий при предельном переходе к классической механике.
Содержание
1 Исторические аспекты
2 Обменное взаимодействие бозонов и фермионов
3 Внутриатомное и межатомное обменное взаимодействие электронов
3.1 Симметричность волновых функций
3.2 Обменное взаимодействие электронов в атомах. Гелий
3.3 Обменное взаимодействие электронов в молекулах
4 Обменное взаимодействие в магнетиках
4.1 Модели с Гейзенберговским гамильтонианом
4.1.1 Модель Гейзенберга
4.1.2 Модель Изинга и XY-модель
4.2 Гамильтониан Хаббарда
4.3 Анизотропные модели
4.3.1 Причина анизотропии
4.3.2 Псевдодипольное и антисимметричное обменные взаимодействия
4.4 Косвенный обмен
4.4.1 Прямой и косвенный обмен
4.4.2 Суперобменное взаимодействие
4.4.3 Двойной обмен
4.4.4 РККИ-обменное взаимодействие
5 Обменное взаимодействие в ядерной физике
6 См. также
7 Примечания
8 Литература
9 Статьи
10 Ссылки
Исторические аспекты |
Понятие обменного взаимодействие напрямую связано с концепцией спина, которая разрабатывалась в конце 20-х годов XX века в работах Уленбека, Гаудсмита, Дирака, Паули, Гейзенберга и других. Концепция обмена возникла при изучении спектров излучения атома гелия, интерпретация которых была дана Гейзенбергом в 1926 году. Она объясняет существование двух «типов» гелия: орто- и парагелия, различающихся спиновой конфигурацией электронов.[1] Молекула водорода была описана Вальтером Гайтлером и Фрицем Лондоном через год после гейзенберговской теории гелия. Они впервые показали роль обменного взаимодействия в химии[2]. В том же 1927 году Гейзенберг описал ферромагнетизм. Дираком в 1929 был предложен модельный гамильтониан, содержащий скалярное произведение операторов спинов. Его модель была обобщена ван Флеком в 1932 году[3]. Этим работам предшествовала модель, предложенная в 1920 году Вильгельмом Ленцем
и позднее развитая его учеником Эрнстом Изингом (1925 год), в которой рассматривалась одномерная решётка спинов, которые могли ориентироваться только вдоль выбранного направления. Первоначально, она не получила признания, так как не объясняла явления ферромагнетизма, но к 40-м было показано, что она хорошо описывает магнетизм двухэлементных сплавов (1938 год — статья Ханса Бете) и может быть применена не только в магнетизме.[4]Дальнейшее развитие теории было связано с изучением внутренних механизмов обменного взаимодействия. В то время как первые работы были посвящены так называемому прямому обменному взаимодействию, которое реализуется через непосредственное перекрытие волновых функций соседних атомов, его реальный механизм может существенно отличаться в различных классах соединений. Обменное взаимодействие, возникающие иными способами получило название косвенного. В 1950 году была предложена теория Хендрика Крамерса и Филипа Андерсона, объясняющая антиферромагнетизм соединений d-металлов типа оксида марганца. К середине 50-х появилась теория РККИ-обменного взаимодействия. Позднее было дано объяснение так называемого слабого ферромагнетизма исходя из идеи анизотропных моделей[5].
В настоящее время развитие теории связано с необходимостью учёта обменного взаимодействия как наиболее сильного из магнитных взаимодействий[6] и его ролью в теории спиновых волн[7].
Обменное взаимодействие бозонов и фермионов |
Внешние изображения | |
---|---|
Псевдоцветное изображение охлаждённых облаков атомов лития-6 (бозоны) и лития-7 (фермионы). При одинаковой температуре облако бозонов занимает меньший объем, чем облако фермионов. |
Характер обменного взаимодействия между частицами с целым спином (бозонами) и полуцелым спином (фермионами) различен. Для фермионов характер обменного взаимодействия обусловлен принципом Паули, согласно которому два фермиона не могут находиться в совершенно одинаковых состояниях. Принцип Паули запрещает двум электронам с параллельными спинами находиться в перекрывающихся допустимых областях. Поэтому на малых расстояниях порядка длины волны де Бройля между электронами, спины которых параллельны, возникает как бы дополнительное отталкивание. В случае антипараллельных спинов возникают силы притяжения, которые играют важную роль при образовании химических связей между атомами. При образовании некоторых молекул, в частности воды и водорода, определённую роль играет обменное взаимодействие между протонами. Обменное взаимодействие характерно для всех фермионов и существует независимо от того, имеются ли между ними другие взаимодействия. Противоположный характер имеет обменное взаимодействие бозонов: чем больше бозонов находится в данном состоянии, тем с большей вероятностью в это состояние переходит ещё один бозон. Это равносильно эффекту притяжения бозонов[8].
Внутриатомное и межатомное обменное взаимодействие электронов |
Симметричность волновых функций |
Электронная и спиновая структура атома описывается уравнением Дирака. Однако для систем с несколькими электронами его анализ очень громоздкий, а качественная картина взаимодействий может быть получена из не зависящего от времени уравнения Паули. Оно является следствием дираковского уравнения при малых скоростях и фактически являет собой уравнение Шрёдингера с дополнительным слагаемым в гамильтониане, учитывающим наличие спина. Немагнитная часть гамильтониана является суммой кинетических энергий электронов и энергии кулоновского взаимодействия электронов с ядром и между собой:
- He=∑i=1N(pi22m−Ze24πε0|ri|)+∑i<je24πε0|ri−rj|.{displaystyle {mathcal {H}}_{e}=sum _{i=1}^{N}left({frac {mathbf {p} _{i}^{2}}{2m}}-{frac {Ze^{2}}{4pi varepsilon _{0}|mathbf {r} _{i}|}}right)+sum _{i<j}{frac {e^{2}}{4pi varepsilon _{0}|mathbf {r} _{i}-mathbf {r} _{j}|}}.}
Здесь сумма берётся по N электронам, которые находятся в электростатическом поле ядра зарядом Z, pi{displaystyle mathbf {p} _{i}} и ri{displaystyle mathbf {r} _{i}} — импульс и радиус-вектор i-го электрона, ε0{displaystyle varepsilon _{0}} — диэлектрическая постоянная.
Спин входит в гамильтониан через учёт спин-орбитального взаимодействия. Последнее имеет релятивистскую природу, как и взаимодействие спинов электронов между собой.[9] Релятивистские слагаемые в гамильтониане по своей величине пропорциональны степеням отношения скорости электрона к скорости света и могут быть опущены в первом приближении. Это позволяет разделить переменные и записать полную волновую функцию Ψ{displaystyle Psi } как произведение координатной и спиновой частей. Для двухэлектронной системы её можно подать в виде
Ψ(r1,s1,r2,s2)=Ψ(r1,r2)χ(s1,s2).{displaystyle Psi (mathbf {r} _{1},mathbf {s} _{1},mathbf {r} _{2},mathbf {s} _{2})=Psi (mathbf {r} _{1},mathbf {r} _{2})chi (mathbf {s} _{1},mathbf {s} _{2}).} | (ПолнВолнФунк) |
Здесь функция Ψ(r1,r2){displaystyle Psi (mathbf {r} _{1},mathbf {r} _{2})} определяется только координатами электронов, а χ(s1,s2){displaystyle chi (mathbf {s} _{1},mathbf {s} _{2})} — их спинами. Так как гамильтониан является суммой гамильтонианов отдельных электронов, точно также должна факторизироваться волновая функция каждого из электронов (так называемая спин-орбиталь — орбиталь, в которую введён спин как ещё одна переменная):
- ψ(r,s)=ψ(r)χ(sz),ψ(r)=Rn,l(r)Yl,m(θ,ϕ){displaystyle psi (mathbf {r} ,mathbf {s} )=psi (mathbf {r} )chi (s_{z}),quad psi (mathbf {r} )=R_{n,l}(r)Y_{l,m}(theta ,phi )}
где Rn, l — радиальная часть, Yl, m — сферическая гармоника, χ(sz){displaystyle chi (s_{z})} — часть волновой функции, зависящая от спина.[10][11] В случае многих электронов связь между полной волновой функцией и отдельными спин-орбиталями даёт детерминант Слейтера.
Наиболее простой системой, в которой важную роль играет обменное взаимодействие, является двухэлектронная. Она реализуется в атоме гелия и молекуле водорода. Электроны — это фермионы, поэтому полная волновая функция должна быть антисимметричной по отношению к перестановке электронов:
- Ψ(r1,s1,r2,s2)=−Ψ(r2,s2,r1,s1).{displaystyle Psi (mathbf {r} _{1},mathbf {s} _{1},mathbf {r} _{2},mathbf {s} _{2})=-Psi (mathbf {r} _{2},mathbf {s} _{2},mathbf {r} _{1},mathbf {s} _{1}).}
Так как при этом Ψ(r1,s1,r2,s2){displaystyle Psi (mathbf {r} _{1},mathbf {s} _{1},mathbf {r} _{2},mathbf {s} _{2})} имеет вид (ПолнВолнФунк), антисимметричность может быть получена двумя способами: пространственная часть волновой функции симметрична, а спиновая — нет, или наоборот. Они являются линейными комбинациями соответствующих частей спин-орбиталей. Поэтому из принципа Паули следуют две возможные формы χ(s1,s2){displaystyle chi (mathbf {s} _{1},mathbf {s} _{2})}:
- χas(s1,s2)=12(χ1(sz1)χ2(sz2)−χ1(sz2)χ2(sz1)),{displaystyle chi _{text{as}}(mathbf {s} _{1},mathbf {s} _{2})={frac {1}{sqrt {2}}}left(chi _{1}(s_{z1})chi _{2}(s_{z2})-chi _{1}(s_{z2})chi _{2}(s_{z1})right),}
- χsym(s1,s2)={χ1(sz1)χ2(sz1),12(χ1(sz1)χ2(sz2)+χ1(sz2)χ2(sz1)),χ1(sz2)χ2(sz2).{displaystyle chi _{text{sym}}(mathbf {s} _{1},mathbf {s} _{2})=leftlbrace {begin{array}{l}chi _{1}(s_{z1})chi _{2}(s_{z1}),\{frac {1}{sqrt {2}}}left(chi _{1}(s_{z1})chi _{2}(s_{z2})+chi _{1}(s_{z2})chi _{2}(s_{z1})right),\chi _{1}(s_{z2})chi _{2}(s_{z2}).end{array}}right.}
Асимметричная функция соответствует так называемому синглетному состоянию (полный спин равен нулю), а симметричная — триплетному (полный спин равен единице). Соответствующие пространственные волновые функции имеют вид
- Ψsym(r1,r2)=12(ψ1(r1)ψ2(r2)+ψ1(r2)ψ2(r1)),{displaystyle Psi _{text{sym}}(mathbf {r} _{1},mathbf {r} _{2})={frac {1}{sqrt {2}}}(psi _{1}(mathbf {r} _{1})psi _{2}(mathbf {r} _{2})+psi _{1}(mathbf {r} _{2})psi _{2}(mathbf {r} _{1})),}
- Ψas(r1,r2)=12(ψ1(r1)ψ2(r2)−ψ1(r2)ψ2(r1)).{displaystyle Psi _{text{as}}(mathbf {r} _{1},mathbf {r} _{2})={frac {1}{sqrt {2}}}(psi _{1}(mathbf {r} _{1})psi _{2}(mathbf {r} _{2})-psi _{1}(mathbf {r} _{2})psi _{2}(mathbf {r} _{1})).}
В этих формулах запись ψi(rk)χj(szm){displaystyle psi _{i}(mathbf {r} _{k})chi _{j}(s_{zm})} означает, что электрон, находящийся в точке с радиус-вектором rk{displaystyle mathbf {r} _{k}} и проекцией спина szm{displaystyle s_{zm}} имеет пространственную волновую функцию ψi{displaystyle psi _{i}} и спиновую функцию χj{displaystyle chi _{j}}. Каждая из этих волновых функций должна быть нормирована на единицу.[12][13]
Двухэлектронные пространственные волновые функции разной симметрии (ψA{displaystyle psi _{A}} и ψB{displaystyle psi _{B}} — одноэлектронные) | |||||||||
|
Обменное взаимодействие электронов в атомах. Гелий |
Не учитывающий релятивистские взаимодействия гамильтониан для гелия имеет вид
- H=p122m+p222m−2e24πε0|r1|−2e24πε0|r2|⏟H0+e24πε0|r1−r2|⏟H1.{displaystyle {mathcal {H}}=underbrace {{frac {mathbf {p} _{1}^{2}}{2m}}+{frac {mathbf {p} _{2}^{2}}{2m}}-{frac {2e^{2}}{4pi varepsilon _{0}|mathbf {r} _{1}|}}-{frac {2e^{2}}{4pi varepsilon _{0}|mathbf {r} _{2}|}}} _{{mathcal {H}}_{0}}+underbrace {frac {e^{2}}{4pi varepsilon _{0}|mathbf {r} _{1}-mathbf {r} _{2}|}} _{{mathcal {H}}_{1}}.}
Изучить энергетические уровни атома гелия можно с помощью теории возмущений. Не очень точные, но достаточно наглядные вычисления могут быть проведены, если в качестве невозмущённого гамильтониана взять H0{displaystyle {mathcal {H}}_{0}}, а поправки к нему H1{displaystyle {mathcal {H}}_{1}}. Следует отметить, что Гейзенбергом в его работе, посвящённой спектрам гелия, в качестве нулевого приближения был взят гамильтониан H0+e24πε0|r2|{displaystyle {mathcal {H}}_{0}+{frac {e^{2}}{4pi varepsilon _{0}|mathbf {r} _{2}|}}}, а в качестве поправки выбрано выражение H1−e24πε0|r2|{displaystyle {mathcal {H}}_{1}-{frac {e^{2}}{4pi varepsilon _{0}|mathbf {r} _{2}|}}}. Этот подход более точен количественно, но и более громоздкий в аналитических вычислениях. В основном состоянии оба электрона гелия находятся на 1s орбитали и вследствие принципа Паули обязаны иметь противоположные направления спинов. Так как их главное, орбитальное и магнитное квантовые числа n, l и m одинаковы, пространственная часть полной волновой функции должна быть симметрична. В таком случае основное состояние характеризуется волновой функцией
- Ψgr(r1,r2,s1z,s2z)=12(ψ100(1)(r1)ψ100(2)(r2)+ψ100(1)(r2)ψ100(2)(r1))(χ1(sz1)χ2(sz2)−χ1(sz2)χ2(sz1)),{displaystyle Psi _{text{gr}}(mathbf {r} _{1},mathbf {r} _{2},s_{1z},s_{2z})={frac {1}{2}}left(psi _{100}^{(1)}(mathbf {r} _{1})psi _{100}^{(2)}(mathbf {r} _{2})+psi _{100}^{(1)}(mathbf {r} _{2})psi _{100}^{(2)}(mathbf {r} _{1})right)left(chi _{1}(s_{z1})chi _{2}(s_{z2})-chi _{1}(s_{z2})chi _{2}(s_{z1})right),}
где верхний индекс ψ нумерует электрон, а нижний обозначает тройку чисел nlm=100{displaystyle nlm=100}. Таким образом, энергия основного состояния равна
- Egr=E0+E1,{displaystyle E_{text{gr}}=E_{0}+E_{1},}
где E0 является собственным числом оператора H0{displaystyle {mathcal {H}}_{0}} и находится из уравнения H0Ψgr=E0Ψgr{displaystyle {mathcal {H}}_{0}Psi _{text{gr}}=E_{0}Psi _{text{gr}}}, а E1=⟨Ψgr|H1|Ψgr⟩{displaystyle E_{1}=langle Psi _{text{gr}}|{mathcal {H}}_{1}|Psi _{text{gr}}rangle }.[14]
Природа обменного взаимодействия проявляется при исследовании возбуждённых уровней гелия. Обменное взаимодействие приводит к наличию расщепления энергетических уровней, при котором энергии состояний с занятыми орбиталями 1s2s и 1s2p различны. Возбуждённые уровни могут быть синглетными (парагелий) и триплетными (ортогелий) с волновыми функциями вида
- ΨesS(r1,r2,s1,s2)=Ψsym(r1,r2)χas(s1,s2),{displaystyle Psi _{text{es}}^{text{S}}(mathbf {r} _{1},mathbf {r} _{2},mathbf {s} _{1},mathbf {s} _{2})=Psi _{text{sym}}(mathbf {r} _{1},mathbf {r} _{2})chi _{text{as}}(mathbf {s} _{1},mathbf {s} _{2}),}
- ΨesT(r1,r2,s1,s2)=Ψas(r1,r2)χsym(s1,s2){displaystyle Psi _{text{es}}^{text{T}}(mathbf {r} _{1},mathbf {r} _{2},mathbf {s} _{1},mathbf {s} _{2})=Psi _{text{as}}(mathbf {r} _{1},mathbf {r} _{2})chi _{text{sym}}(mathbf {s} _{1},mathbf {s} _{2})}
соответственно. Соответствующие им энергии возбуждённых состояний в первом порядке теории возмущений имеют вид
- EesS=⟨ΨesS|H1|ΨesS⟩=C+J,{displaystyle E_{text{es}}^{text{S}}=langle Psi _{text{es}}^{text{S}}|{mathcal {H}}_{1}|Psi _{text{es}}^{text{S}}rangle =C+J,}
- EesT=⟨ΨesT|H1|ΨesT⟩=C−J.{displaystyle E_{text{es}}^{text{T}}=langle Psi _{text{es}}^{text{T}}|{mathcal {H}}_{1}|Psi _{text{es}}^{text{T}}rangle =C-J.}
При таком вычислении энергии возбуждённых состояний роль спина сводится к наложению условия на симметричность пространственной части волновой функции. Это приводит к тому, что разница энергий синглетного и триплетного состояний составляет величину 2J. Здесь
- C=∬|ψ100(r1)|2e24πε0|r1−r2||ψnlm(r2)|2dr1dr2{displaystyle C=iint |psi _{100}(mathbf {r} _{1})|^{2}{frac {e^{2}}{4pi varepsilon _{0}|mathbf {r} _{1}-mathbf {r} _{2}|}}|psi _{nlm}(mathbf {r} _{2})|^{2}mathrm {d} mathbf {r} _{1}mathrm {d} mathbf {r} _{2}}
называется кулоновским интегралом, а
- J=∬ψ100(r1)ψnlm(r2)e24πε0|r1−r2|ψ100∗(r2)ψnlm∗(r1)dr1dr2{displaystyle J=iint psi _{100}(mathbf {r} _{1})psi _{nlm}(mathbf {r} _{2}){frac {e^{2}}{4pi varepsilon _{0}|mathbf {r} _{1}-mathbf {r} _{2}|}}psi _{100}^{*}(mathbf {r} _{2})psi _{nlm}^{*}(mathbf {r} _{1})mathrm {d} mathbf {r} _{1}mathrm {d} mathbf {r} _{2}}
обменным интегралом (звёздочка обозначает комплексное сопряжение). Кулоновский интеграл показывает силу электростатического отталкивания между плотностями вероятностей электронов и он всегда положительный. Обменный интеграл соответствует изменению энергии при изменении квантовых состояний электронов. Он может быть как положительным, так и отрицательным. Для гелия J>0{displaystyle J>0}, вследствие чего энергия синглетного состояния становится выше. Физический смысл этого состоит в том, что симметричная пространственная волновая функция располагает электроны ближе друг к другу и энергия кулоновского взаимодействия между ними увеличивается.[18]
В действительности, вероятность наблюдения синглетного перехода 21P1 → 11S0 намного выше, чем вероятность наблюдать возбуждение электронов на триплетный уровень с меньшей энергией. Это связано с тем, что согласно правилам отбора электронных спектров переходы между энергетическими уровнями разной мультиплетности запрещены. Получить парагелий с триплетной волновой функцией и спином, равным единице, можно бомбардируя ортогелий электронным пучком. Так как в пучке есть электроны с различными направлениями спина, один из электронов в атоме гелия может быть выбит и замещён электроном, чей спин противоположен спину выбитого. Так как возвращение в основное состояние связано со сменой мультиплетности, оно маловероятно и время жизни парагелия достаточно велико[17][15][19]}}
Обменное взаимодействие электронов в молекулах |
Обменное взаимодействие в магнетиках |
Модели с Гейзенберговским гамильтонианом |
Модель Гейзенберга |
Для описания ферромагнитного или антиферромагнитного упорядочивания в различных математических моделях обычно используют выражение энергии обменного взаимодействия спинов, предложенного Дираком, в котором энергия пропорциональна скалярному произведению операторов спинов s1 и s2
H12=−J12s1s2,{displaystyle {mathcal {H}}^{12}=-J_{12}mathbf {s} _{1}mathbf {s} _{2},} | (ГейзГам) |
где J12{displaystyle J_{12}} — обменный интеграл. Его знак определяет тип взаимодействия: J>0{displaystyle J>0} описывает ферромагнитное упорядочивание, а J<0{displaystyle J<0} — антиферромагнитное. Выражение (ГейзГам) называют гамильтонианом Гейзенберга. Большинство магнетиков достаточно хорошо им описываются, однако в ряде случаев необходимо учитывать отличие реального гамильтониана от гейзенберговского. В простейшем случае он содержит только первую степень скалярного произведения, что соответствует спину s=1/2{displaystyle s=1/2} (одноэлектронный ион), иначе необходимо учитывать слагаемые со степенями вплоть до 2s (многоэлектронные ионы).[20] Случай, когда присутствует квадратичная поправка Jij′⋅(s1s2)2{displaystyle J_{ij}'cdot (mathbf {s} _{1}mathbf {s} _{2})^{2}}, называют биквадратным обменом. Она достигает минимума, когда спины перпендикулярны друг другу. Подобная связь между спинами может наблюдаться в многослойных системах.[21]
Так как гамильтониан макроскопического тела, учитывающий кинетические энергии и энергии кулоновского взаимодействия ионов и электронов, имеет слишком сложную структуру для аналитического анализа, обычно предполагают что его можно заменить суммой гамильтонианов вида (ГейзГам). В таком случае обменный гамильтониан принимает вид
- H=−12∑i≠jJijsisj,{displaystyle {mathcal {H}}=-{frac {1}{2}}sum _{ineq j}J_{ij}mathbf {s} _{i}mathbf {s} _{j},}
где сумма берётся по узлам решётки[3]. Его иногда также называют гамильтонианом Гейзенберга—Дирака—ван Флека.[22]. Во многих случаях можно считать, что обменный интеграл J быстро спадает с расстоянием и отличен от нуля только для соседних узлов магнитной подрешётки.[23] Учёт более дальних соседей приводит к более сложному упорядочиванию спинов: геликоидальному, неколлинеарному и другим[3]. Обменный гамильтониан Гейзенберга является изотропным и не определяет направления суммарной намагниченности системы. Он коммутирует с каждой из проекций суммарного спина S:
- [H,S]=0.{displaystyle [{mathcal {H}},mathbf {S} ]=0.}
Поэтому обменное взаимодействие не может влиять на величину полного спина системы.[24]
В случае спиновой природы магнитного момента ферромагнетика можно перейти от оператора спина к оператору плотности магнитного момента через дельта-функцию Дирака δ:
- M(r)=−gμB∑isiδ(r−ri),{displaystyle mathbf {M} (mathbf {r} )=-gmu _{B}sum _{i}mathbf {s} _{i}delta (mathbf {r} -mathbf {r} _{i}),}
где g — множитель Ланде, μB{displaystyle mu _{B}} — магнетон Бора. Тогда можно записать макроскопическую энергию, соответствующую обменному гамильтониану, как
- Eex=−12(gμB)2∫Vdr∫V′dr′J¯(r−r′)M(r)M(r′),{displaystyle E^{text{ex}}=-{frac {1}{2(gmu _{B})^{2}}}int _{V}mathrm {d} mathbf {r} int _{V}'mathrm {d} mathbf {r} '{overline {J}}(mathbf {r} -mathbf {r} ')mathbf {M} (mathbf {r} )mathbf {M} (mathbf {r} '),}
где функция J¯{displaystyle {overline {J}}} мало отличается от обменного интеграла при температурах, далёких от точки Кюри.[25][26] Разложение намагниченности в ряд Тейлора позволяет выделить две составляющие макроскопической обменной энергии, одна из которых зависит только от модуля вектора намагниченности, а другая определяется его пространственными производными:
- w=−12ΛM2+12Aij∂M∂xi∂M∂xj,{displaystyle w=-{frac {1}{2}}Lambda mathbf {M} ^{2}+{frac {1}{2}}A_{ij}{frac {partial mathbf {M} }{partial x_{i}}}{frac {partial mathbf {M} }{partial x_{j}}},}
где
- Λ=1(gμB)2∫VJ¯(r)dr,Aij=12(gμB)2∫VJ¯(r)xixjdr.{displaystyle Lambda ={frac {1}{(gmu _{B})^{2}}}int _{V}{overline {J}}(mathbf {r} )mathrm {d} mathbf {r} ,quad A_{ij}={frac {1}{2(gmu _{B})^{2}}}int _{V}{overline {J}}(mathbf {r} )x_{i}x_{j}mathrm {d} mathbf {r} .}
В этом выражении не учитываются поверхностные эффекты, вклад в которые могут давать нечётные степени в разложении функции M по степеням r. Они могут быть актуальны для пироэлектрических кристаллов. Порядок констант A и Λ определяется значением обменного интеграла J0 для соседних атомов и постоянной магнитной решётки a. В простейшем случае их оценивают как Aij∼J0a5/(2μB)2{displaystyle A_{ij}sim J_{0}a^{5}/(2mu _{B})^{2}} и Λ∼J0a3/(2μB)2{displaystyle Lambda sim J_{0}a^{3}/(2mu _{B})^{2}}.[27] Сам обменный интеграл соседних ионов равен
- J0≈3kTC/2Ns(s+1),{displaystyle J_{0}approx 3kT_{C}/2Ns(s+1),}
где k — константа Больцмана, TC — температура Кюри, а N — количество ближайших соседей (6 для кубической решётки). Для железа эта формула даёт значение 1,19⋅10−2эВ. Более точные оценки увеличивают это число на 40 %[3].
Модель Изинга и XY-модель |
В 1920 году Вильгельм Ленц предложил идею элементарных спиновых диполей, которые могут ориентироваться в строго определённых направлениях. Одномерная модель такой системы была развита в кандидатской диссертации его студента Эрнста Изинга, рассмотревшего гамильтониан в виде
HIsing=−∑i,jJijsisj−∑iHisi,{displaystyle {mathcal {H}}^{text{Ising}}=-sum _{i,j}J_{ij}s_{i}s_{j}-sum _{i}H_{i}s_{i},}.
где si=±1{displaystyle s_{i}=pm 1} — спины единичной длины, взаимодействие которых определяется величиной Jij{displaystyle J_{ij}}, Hi — магнитное поле в месте расположения i-го спина. Эта одна из простейших физических моделей, где объекты принимают лишь два значения (в данном случае проекции спина вверх или вниз), также нашла применение за пределами теоретической физики: в пожаротушении, политике и других областях.[4] В магнетизме её можно рассматривать как предельный случай сильной лёгкоосной анизотропии, когда отклонениями от направления лёгкой оси можно пренебречь.[28]
Первоначально, рассмотренная Изингом модель магнетика не вызвала интереса, так как в ней отсутствовало ферромагнитное упорядочение при конечных температурах. Однако позднее Ханс Бете обнаружил, что она отлично описывает энергии связи и химические потенциалы между атомами в двухэлементных сплавах, что нашло применение в металлургии.[29]Рудольф Пайерлс показал, что дальний порядок, необходимый для объяснения ферромагнетизма, присутствует при низких температурах, если рассматривать двух- и трёхмерные спиновые решётки. При этом в модели возникают фазовые переходы, соответствующие наличию температуры Кюри. Подробный математический анализ двумерных решёток был выполнен Онзагером в 1944 году.[30] Двумерная модель может быть экспериментально реализована на монослоях ферромагнитных атомов. Температурная зависимость и зависимость спонтанной намагниченности монослоёв железа на подложке W (110) показали отличное согласие с теорией вблизи температуры Кюри.[31]
Другой предельный случай (сильная лёгкоплоскостная анизотропия) рассматривается так называемой XY-моделью. В ней гамильтониан обычно представляется в виде
- HXY=−∑i,jJij(sixsjx+siysjy).{displaystyle {mathcal {H}}^{text{XY}}=-sum _{i,j}J_{ij}(s_{ix}s_{jx}+s_{iy}s_{jy}).}
В отличие от модели Изинга здесь предполагается, что все спины лежат в плоскости XY. Обе модели — XY и Изинга играют важную роль в статистической механике.[28]
Гамильтониан Хаббарда |
Анизотропные модели |
Причина анизотропии |
В многоэлектронных атомах становится важным взаимодействие спинового и механического моментов. LS-связь приводит к расщеплению спектра свободного атома и влиянию симметрии кристаллической решётки на спины в атомах твёрдого тела. В частности, вклад поля решётки превышает несколько энергетических единиц kT (k — константа Больцмана, T — температура) для элементов группы железа. Учёт поправок, вносимых спин-орбитальным взаимодействием и магнитным полем (внешним или решётки) во втором порядке теории возмущений приводит к дополнительному слагаемому в гамильтониане для узла решётки
- ΔH=∑μν[2μBHμ(δμν−ξΛμν)sν−ξ2Λμνsμsν−μB2ΛμνHμHν].{displaystyle Delta {mathcal {H}}=sum _{mu nu }[2mu _{B}H_{mu }(delta _{mu nu }-xi Lambda _{mu nu })s_{nu }-xi ^{2}Lambda _{mu nu }s_{mu }s_{nu }-mu _{B}^{2}Lambda _{mu nu }H_{mu }H_{nu }].}
где δμν — символ Кронекера, Λμν=∑n⟨n|Lμ|0⟩⟨0|Lν|n⟩En−E0{displaystyle Lambda _{mu nu }=sum _{n}{frac {langle n|L_{mu }|0rangle langle 0|L_{nu }|nrangle }{E_{n}-E_{0}}}}, а индексы μ и ν пробегают пространственные координаты x, y, z. В нём первое слагаемое является зеемановской энергией (энергия взаимодействия с магнитным полем), второе слагаемое соответствует так называемой одноионной анизотропии, а третье является следствием теории возмущений второго порядка и даёт парамагнитную восприимчивость не зависимую от температуры (парамагнетизм ван Флека).[32] При отсутствии внешних магнитных полей направление полного спина определяется магнитной анизотропией, которая имеет описанную спин-орбитальную природу[3][24]}} Иногда её включают в обменный гамильтониан считая J тензором:
- H=−12∑i≠j(Jxxsixsjx+Jyysiysjy+Jzzsizsjz).{displaystyle {mathcal {H}}=-{frac {1}{2}}sum _{ineq j}(J_{xx}mathbf {s} _{i}^{x}mathbf {s} _{j}^{x}+J_{yy}mathbf {s} _{i}^{y}mathbf {s} _{j}^{y}+J_{zz}mathbf {s} _{i}^{z}mathbf {s} _{j}^{z}).}
Это обобщение также называют X—Y—Z моделью. Разница между элементами тензора J обычно мала[33]. В некоторых случаях (ГейзГам) может усложняться. Для ионов, чьё основное состояние мультипленое, в нём используется оператор полного момента
J и соответствующий ему множитель Ланде gJ:[34]- H12=−J12(gJ−1)2J1J2.{displaystyle {mathcal {H}}^{12}=-J_{12}(g_{J}-1)^{2}mathbf {J} _{1}mathbf {J} _{2}.}
Такая ситуация характерна для редкоземельных ионов.[35] При наличии ионов с f-электронами, взаимодействие также становится анизотропным. Частными случаями этого являются псевдодипольное обменное взаимодействие и взаимодействие Дзялошинского — Мория.[34]
Псевдодипольное и антисимметричное обменные взаимодействия |
Анизотропные взаимодействия играют важную роль в объяснении свойств антиферромагнитных купратов. Возникновение специальных типов анизотропного обмена можно показать на примере двух магнитных ионов для которых малой поправкой к гамильтониану считаются сумма вкладов спин-орбитальных взаимодействий каждого из ионов и обменного взаимодействия между ионами. Третий порядок теории возмущений приводит к изменению невозмущённого гамильтониана на величину
- ΔHan=−14∑μν∑i=1,2[(Γμν(i)+Γνμ(i))−δμν(Γxx(i)+Γyy(i)+Γzz(i))]S1μS2ν,{displaystyle Delta {mathcal {H}}^{text{an}}=-{frac {1}{4}}sum _{mu nu }sum _{i=1,2}[(Gamma _{mu nu }^{(i)}+Gamma _{nu mu }^{(i)})-delta _{mu nu }(Gamma _{xx}^{(i)}+Gamma _{yy}^{(i)}+Gamma _{zz}^{(i)})]S_{1mu }S_{2nu },}
- Γμν(i)=2ξ2∑nini′⟨g1|Lμ|n1⟩J(n1g2,n1′g2)⟨n1′|Lν|g1⟩(En1−Eg1)(En1′−Eg1).{displaystyle Gamma _{mu nu }^{(i)}=2xi ^{2}sum _{n_{i}n_{i}'}{frac {langle g_{1}|L_{mu }|n_{1}rangle J(n_{1}g_{2},n_{1}'g_{2})langle n_{1}'|L_{nu }|g_{1}rangle }{(E_{n_{1}}-E_{g_{1}})(E_{n'_{1}}-E_{g_{1}})}}.}
Здесь gi — основное состояние, а J(n1g2,n1′g2){displaystyle J(n_{1}g_{2},n_{1}'g_{2})} — константа обменного взаимодействия между ионами для соответствующих состояний кадого из них. С одной стороны эта поправка может рассматриваться как анизотропное обменное взаимодействие, а с другой — как обобщение обычного магнитодипольного . В связи с этим его называют псевдодипольным взаимодействием. По порядку величины его вклад в энергию пропорционален произведению обменной константы на квадрат анизотропной поправки к фактору Ланде.[36]
Недиагональные члены поправки второго порядка в теории возмущений приводят к поправке вида
- E12=D[S1×S2].{displaystyle E_{12}=mathbf {D} [mathbf {S} _{1}times mathbf {S} _{2}].}
Взаимодействие такого вида называют антисимметричным обменным взаимодействием или взаимодействием Дзялошинского — Мория. Вектор
- D=−2iξ[∑n1⟨g1|L1|n1⟩En1−Eg1J(n1g2,g1g2)−∑n2⟨g2|L2|n2⟩En2−Eg2J(n2g1,g1g2)]{displaystyle mathbf {D} =-2ixi left[sum _{n_{1}}{frac {langle g_{1}|L_{1}|n_{1}rangle }{E_{n_{1}}-E_{g_{1}}}}J(n_{1}g_{2},g_{1}g_{2})-sum _{n_{2}}{frac {langle g_{2}|L_{2}|n_{2}rangle }{E_{n_{2}}-E_{g_{2}}}}J(n_{2}g_{1},g_{1}g_{2})right]}
называют вектором Дзялошинского. Он равен нулю, если поле кристаллической решётки симметрично по отношению к инверсии относительно центра между обоими ионами.[37] Очевидно, энергия взаимодействия ненулевая только если ячейки не магнитно эквивалентны. Взаимодействие Дзялошинского — Мория проявляется в некоторых антиферромагнетиках. Результатом является появление слабой спонтанной намагниченности. Этот эффект называют слабым ферромагнетизмом, так как результирующая намагниченность составляет десятые доли процентов от намагниченности в типичных ферромагнетиках. Слабый ферромагнетизм проявляется в гематите, карбонатах кобальта, манганитах, ортоферритах и некоторых других металлов[38][39][40]. Выраженный в радианах угол между магнитными подрешётками при слабом ферромагнетизме по порядку величины равен анизотропии множителя Ланде.[41]
Косвенный обмен |
Прямой и косвенный обмен |
Обменная энергия это добавка к энергии системы взаимодействующих частиц в квантовой механике, обусловленная перекрытием волновых функций при ненулевом значении полного спина системы частиц. В случае непосредственного перекрытия двух волновых функций говорят о прямом обмене (Гейзенберга), а в случае присутствия частицы-посредника, через которую происходит взаимодействие, говорят о косвенном обмене.[42] Посредниками при косвенном обмене могут выступать диамагнитные ионы (наподобие кислорода O2−) или электроны проводимости. Первый случай теоретически был рассмотрен Крамерсом (1934) и Андерсоном (1950-е), а второй был предсказан Рудерманом и Киттелем (1954). В реальных кристаллах, в той или иной мере присутствуют все типы обмена.[43][5] Внутренний характер взаимодействия слабо влияет на описание макроскопических систем, так как выражение (ГейзГам) имеет общий характер, а конкретный тип обмена (косвенный или прямой), определяется аналитическим выражением для J12.
Суперобменное взаимодействие |
Большинство ферро- и ферримагнитных диэлектриков состоит из магнитных 3d-ионов, разделённых такими немагнитными ионами, как O2−, Br−, Cl− и др. Образуется ситуация, когда расстояния для непосредственного взаимодействия 3d-орбиталей слишком велико и обменное взаимодействие осуществляется перекрытием волновых функций 3d-орбиталей магнитных ионов и p-орбиталей немагнитных ионов. Орбитали оказываются гибридизированными, а их электроны становятся общими для нескольких ионов. Такое взаимодействие называется суперобменным. Его знак (то есть, является ли диэлектрик ферро- или антиферромагнетиком) определяется типом d-орбиталей, количеством электронов на них и углом, под которым видна пара магнитных ионов из узла, где находится немагнитный ион.[44]
Двойной обмен |
Оксиды переходных металлов могут быть как проводниками, так и диэлектриками. В диэлектриках имеет место суперобменное взаимодействие. Однако управляя легированием можно добиться перехода оксида в проводящее состояние. В манганитах лантана вида La1−xCaxMnO3 при определённых значениях параметра x про часть ионов марганца может иметь валентность 3+, а другая — 4+. Обменное взаимодействие между ними, совершаемое через ионы O2-, называют двойным обменом. Эти соединения так же будут ферро- или антиферромагнетиками в зависимости от значения x. Ферромагнитное упорядочивание будет в том случае, если суммарные спины 3-х и 4-валентных ионов сонаправлены, при этом 4-й электрон может быть делокализован. Иначе он локализирован на ионе с меньшей валентностью. Для La1−xSrxMnO3 переход из антиферромагнитной в ферромагнитную фазы происходит при x≈0.1{displaystyle xapprox 0.1} (бо́льшим значениям x соответствует ферромагнетик).[45]
РККИ-обменное взаимодействие |
Редкоземельные элементы имеют частично заполненную 4f-орбиталь, характерный размер которой существенно меньше межатомных расстояний в кристаллической решётке. Поэтому 4f-электроны соседних ионов не могут напрямую взаимодействовать друг с другом. Обменное взаимодействие между ними осуществляется с помощью электронов проводимости. Каждый редкоземельный ион создаёт возле себя достаточно сильное эффективное поле, которое поляризует электроны проводимости. Такое косвенное обменное взаимодействие между 4f-электронами называют взаимодействием Рудермана — Киттеля — Касуя — Иосиды (РККИ-обменное взаимодействие).[46] Будет ли металл ферро- или антиферромагнетиком зависит от строения 4f-зоны и расстояния между ионами Зависимость обменного интеграла от произведения волнового вектора электронов на уровне Ферми kF и расстояния между магнитными ионами a J(kFa){displaystyle J(k_{F}a)} имеет знакопеременный осциллирующий характер. Этим, в частности, объясняется существование геликоидальных и некоторых других магнитных структур. РККИ-взаимодействие существенно зависит от концентрации свободных носителей заряда и может быть существенно более дальнодействующим, чем прямой обмен[47].
Обменное взаимодействие в ядерной физике |
Проявлениями обменного характера сильного взаимодействия являются обмен нуклонов при столкновениях электрическими зарядами, проекциями спинов и пространственными координатами, а также явление насыщения ядерных сил. Из-за действия обменных сил изотоп He25{displaystyle He_{2}^{5}} является неустойчивым, так как один нуклон вследствие принципа Паули находится в P{displaystyle P} - состоянии, где обменные силы являются отталкивающими[48].
См. также |
- Обменное смещение
- Метод самосогласованного (молекулярного) поля
Примечания |
↑ Stöhr, Siegmann, 2006, pp. 167, 175—176.
↑ Обменное взаимодействие (неопр.). Химическая энциклопедия. Проверено 11 января 2012. Архивировано 28 апреля 2012 года.
↑ 12345 Гейзенберга модель — статья из Физической энциклопедии
↑ 12 Mattis, 2006, pp. 438—439.
↑ 12 Косвенное обменное взаимодействие — статья из Физической энциклопедии
↑ Stöhr, Siegmann, 2006, p. 168.
↑ Гуревич А. Г., Мелков Г. А. Магнитные колебания и волны. — М.: Физматлит, 1994. — С. 194. — 464 с. — ISBN 5-02-014366-9.
↑ Обменное взаимодействие // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
↑ Stöhr, Siegmann, 2006, pp. 169—170, 207.
↑ Блохинцев, 1976, с. 527.
↑ Stöhr, Siegmann, 2006, pp. 171—172.
↑ Блохинцев, 1976, с. 527—530.
↑ Stöhr, Siegmann, 2006, pp. 172—175.
↑ Stöhr, Siegmann, 2006, pp. 177—178.
↑ 12 Stöhr, Siegmann, 2006, p. 176.
↑ Solution for Graphing Spectra Student Worksheet, Part II (англ.). NASA's Imagine The Universe. NASA. Goddard Space Flight Center. Проверено 11 января 2012. Архивировано 28 апреля 2012 года.
↑ 12 Молекулярные спектры — статья из Физической энциклопедии
↑ Stöhr, Siegmann, 2006, pp. 177—180.
↑ Блохинцев, 1976, с. 533—535.
↑ Барьяхтар и др., 1984, с. 18—19.
↑ Stöhr, Siegmann, 2006, pp. 192—193.
↑ Marcel Gielen, Rudolf Willem, Bernd Wrackmeyer. Unusual structures and physical properties in organometallic chemistry. — John Wiley and Sons, 2002. — P. 223. — 425 p. — (Physical organometallic chemistry). — ISBN 9780471496359.
↑ Ахиезер и др., 1967, с. 18—20.
↑ 12 Ахиезер и др., 1967, с. 20—21.
↑ Барьяхтар и др., 1984, с. 20.
↑ Ахиезер и др., 1967, с. 22.
↑ Барьяхтар и др., 1984, с. 21—22.
↑ 12 Yosida, 1996, p. 68.
↑ Mattis, 2006, pp. 439—440.
↑ Mattis, 2006, pp. 440—441.
↑ Stöhr, Siegmann, 2006, p. 501.
↑ Yosida, 1996, pp. 34—37.
↑ Косевич А. М., Иванов Б. А., Ковалев А. С. Нелинейные волны намагниченности. Динамические и топологические солитоны. — К.: Наукова думка, 1983. — С. 9—10. — 192 с. — 1700 экз.
↑ 12 Buschow, 2005, p. 392.
↑ Yosida, 1996, p. 34.
↑ Yosida, 1996, p. 56.
↑ Yosida, 1996, pp. 57—58.
↑ de Lacheisserie et al., 2005, p. 314—315.
↑ Магнетизм — статья из Физической энциклопедии
↑ Слабый ферромагнетизм — статья из Физической энциклопедии
↑ Yosida, 1996, p. 59.
↑ Stöhr, Siegmann, 2006, p. 274.
↑ Вонсовский, 1971, с. 524—525.
↑ de Lacheisserie et al., 2005, pp. 313—314.
↑ de Lacheisserie et al., 2005, pp. 318—319.
↑ de Lacheisserie et al., 2005, pp. 315—317.
↑ РККИ-обменное взаимодействие — статья из Физической энциклопедии
↑ Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика, М., Наука, 1972, Глава 5. Ядерные силы
Литература |
- Ахиезер А. И., Барьяхтар В. Г., Пелетминский С. В. Спиновые волны. — М.: Наука, 1967. — 368 с. — 10 000 экз.
- Барьяхтар В. Г., Криворучко В. Н., Яблонский Д. А. Функции Грина в теории магнетизма. — К.: Наукова думка, 1984. — 336 с.
- Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики. — Изд. 5-е, перераб. — М.: Наука, 1976. — 664 с. — 34 000 экз.
- Вонсовский С. В. Магнетизм. — М., 1971.
Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Теоретическая физика», в 10 т., т. 3 «Квантовая механика (нерелятивистская теория)», 5-е изд. стереотип., М., Физматлит, 2002, 808 с., ISBN 5-9221-0057-2 (т. 3) гл. 9 «Тождественность частиц», п. 62 «Обменное взаимодействие», с. 285—290.- de Lacheisserie É., Gignoux D., Schlenker M. Magnetism: Fundamentals. — Springer, 2005. — Vol. 1. — 507 p. — (Magnetism). — ISBN 9780387229676.
- Stöhr, J. and Siegmann, H. C. Magnetism: From Fundamentals to Nanoscale Dynamics. — Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006. — Vol. 152. — 820 p. — (Springer series in solid-state sciences). — ISBN 978-3540302827.
- Mattis, D. C. The theory of magnetism made simple: an introduction to physical concepts and to some useful mathematical methods. — World Scientific, 2006. — 565 p. — ISBN 9789812385796.
- Wolfgang Nolting, Anupuru Ramakanth. Quantum Theory of Magnetism. — Springer, 2009. — 752 p. — ISBN 9783540854159.
- K. H. J. Buschow. Concise encyclopedia of magnetic and superconducting materials. — 2nd. — Elsevier, 2005. — P. 254. — 1339 p. — ISBN 9780080445861.
- Kei Yosida. Theory of magnetism. — Springer, 1996. — 320 p. — ISBN 9783540606512.
Статьи |
W. Heisenberg (26 October 1926). “Über die Spektra von Atomsystemen mit zwei Elektronen”. Z. Phys. 39: 499—518. DOI:10.1007/BF01322090. Используется устаревший параметр|month=
(справка).mw-parser-output cite.citation{font-style:inherit}.mw-parser-output q{quotes:"""""""'""'"}.mw-parser-output code.cs1-code{color:inherit;background:inherit;border:inherit;padding:inherit}.mw-parser-output .cs1-lock-free a{background:url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/65/Lock-green.svg/9px-Lock-green.svg.png")no-repeat;background-position:right .1em center}.mw-parser-output .cs1-lock-limited a,.mw-parser-output .cs1-lock-registration a{background:url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d6/Lock-gray-alt-2.svg/9px-Lock-gray-alt-2.svg.png")no-repeat;background-position:right .1em center}.mw-parser-output .cs1-lock-subscription a{background:url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/aa/Lock-red-alt-2.svg/9px-Lock-red-alt-2.svg.png")no-repeat;background-position:right .1em center}.mw-parser-output .cs1-subscription,.mw-parser-output .cs1-registration{color:#555}.mw-parser-output .cs1-subscription span,.mw-parser-output .cs1-registration span{border-bottom:1px dotted;cursor:help}.mw-parser-output .cs1-hidden-error{display:none;font-size:100%}.mw-parser-output .cs1-visible-error{font-size:100%}.mw-parser-output .cs1-subscription,.mw-parser-output .cs1-registration,.mw-parser-output .cs1-format{font-size:95%}.mw-parser-output .cs1-kern-left,.mw-parser-output .cs1-kern-wl-left{padding-left:0.2em}.mw-parser-output .cs1-kern-right,.mw-parser-output .cs1-kern-wl-right{padding-right:0.2em}
W. Heisenberg, P. Jordan (16 March 1926). “Anwendung der Quantenmechanik auf das Problem der anomalen Zeemaneffekte”. Z. Phys. 37: 263—277. DOI:10.1007/BF01397100. Используется устаревший параметр|month=
(справка)
W. Heitler, F. London, (30 June 1927). “Wechselwirkung neutraler Atome und homöopolare Bindung nach der Quantenmechanik”. Z. Phys. 44: 455—472. DOI:10.1007/BF01397394. Используется устаревший параметр|month=
(справка)
Ссылки |
Обменное взаимодействие в магнетизме — статья из Физической энциклопедии
- Обменное взаимодействие — Химическая энциклопедия