Косвенное обменное взаимодей­ствие

КОСВЕННОЕ ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, обменное взаимодействие, возникающее между магнитными моментами локализованных электронов через возмущение другой 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.

Нидерландский физик Х. А. Крамере (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 диэлектрических соединений переходных d-металлов типа MnO. Соответствующее сверхобменное взаимодействие (или косвенное обменное взаимодействие Крамерса - Андерсона) описывается эффективным гамильтонианом Гейзенберга H =-J_ij(S_iS_j) (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 кристаллического окружения и угла между направлениями от лиганда на магнитные ионы i и j можно определить с помощью полуэмпирических правил Гуденафа - Канамори.

Косвенное обменное взаимодействие через электроны проводимости было предсказано американскими физиками М. Рудерманом и Ч. Киттелем (1954) для ядерных спинов в металлах при исследовании сверхтонкого взаимодействия. Теорию косвенного обменного взаимодействия между магнитными моментами локализованных электронов через подвижные электроны проводимости развили японские 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 другими локализованными спинами. РККИ-обменное взаимодействие также имеет гейзенберговский вид, однако, в отличие от сверхобменного взаимодействия, соответствующий интеграл косвенного обменного взаимодействия имеет дальнодействующий и осциллирующий характер спадания с расстоянием R: J_ij ~ cos(2k_FR_ij)/R³_ij при k_FR_ij»1, где k_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 металлической матрице (в том числе 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 так называемых 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.

Косвенное обменное взаимодействие в легированных магнитных полупроводниках, а также в магнетиках с сильными корреляциями (узкими зонами проводимости, например 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 (смотри Двойное обменное взаимодействие).

Лит.: Гуденаф Д. Магнетизм и химическая связь. М., 1968; Вонсовский С. В. Магнетизм. М., 1984; Уайт Р. М. Квантовая теория магнетизма. М., 1985.