ркки-обменное взаимодействие

РККИ-ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ (взаимодействие Рудермана - Киттеля - Касуя - Иосиды) - косвенное обменное взаимодействие между магн. ионами, осуществляемое через коллективизиров. электроны проводимости. РККИ-о. в. возникает в металлах и полупроводниках, где коллективизиров. электроны проводимости выступают посредниками обменного взаимодействия (ОВ) ионов, обладающих локализов. спинами, незаполненных d- и f- оболочек. В частности, РККИ-о. в. наблюдаются в редкоземельных металлах и их сплавах. Благодаря сильной локализации электронов 4f-оболочек перекрытие волновых ф-ций электронов соседних ионов слишком мало и прямое ОВ в таких веществах не может обеспечивать наблюдаемое магн. упорядочение.

Идея косвенного ОВ посредством коллективизиров. носителей магн. момента высказана М. Рудерманом и Ч. Киттелем [1] в работе, посвящённой теории сверхтонкого взаимодействия. Т. Касуя [2] и К. Иосида [3] предположили, что механизм возникновения эффективного ОВ между магн. моментами ионов аналогичен механизму возникновения эфф. взаимодействия между ядерными спинами.

Локализов. спин, погружённый в «облако» электронов проводимости, создаёт спиновую поляризацию этого облака, причём поляризация носит осциллирующий (в пространстве) характер. Спины электронов проводимости стремятся экранировать локализов. спин, подобно тому как заряд электронов стремится экранировать положит, заряд погружённого в их облако иона. Аналогично тому, как при экранировании положит. заряда в облаке электронов возникают довольно слабо затухающие с расстоянием осцилляции концентрации электронов, возникают и слабо затухающие осцилляции спиновой поляризации. Эти осцилляции воспринимаются другими локализов. спинами в той области пространства, где они локализованы, и в результате появляется осциллирующий потенциал взаимодействия между спинами.

Интеграл эффективного РККИ-о. в. можно рассчитать в рамках микроскопической s - f-обменной модели. Локализованные на ионах электроны частично заполненных оболочек описываются локализованными (атомными) волновыми ф-циями (f-подсистема), электроны проводимости описываются блоховскими функциями (s-подсистема) и наз. блоховскими электронами. Прямым f - f-ОВ можно пренебречь, т. к. расстояние между соседними ионами превышает радиус f-оболочки. Гамильтониан системы можно записать в виде

где - гамильтониан подсистемы электронов проводимости, а - гамильтониан s - f-OB:

здесь - интеграл ОВ s-электрона со спином s_j, находящегося в точке с радиусом-вектором rj, с f-электронами n-го иона, обладающего результирующим спином S_n и локализованного в точке с радиусом-вектором R_n. Оценки величины I показывают, что I ~ 10^-14-10^-13 эрг, в то время как ферми-энергия для электронов проводимости эрг, т. о., параметр можно считать малым. Применив возмущений теорию по этому малому параметру, можно рассчитать эфф. интеграл ОВ. Поправка к энергии в первом порядке по теории возмущений не возникает, если предположить, что в основном состоянии электроны проводимости находятся в неполяризов. состоянии, т. к. имеется равное число электронов со спинами, направленными вдоль и против намагниченности. Поправка второго порядка имеет вид

где N - число ионов, - ступенчатая тета-функция Дирака, - дисперсии закон электронов проводимости ( - энергия, - волновые векторы), kp - значение волнового вектора на Ферми-поверхности | - Ферми-энергия], - вектор состояния, описывающий основное состояние f-подсистемы. Эта поправка соответствует эфф. гамильтониану гейзенберговского типа (см. Гейзенберга модель):

Число f-электронов и, следовательно, величина спина S_n одинаковы для всех ионов. Зависимость интеграла от расстояния между магн. ионами = определяется законом дисперсии электронов проводимости и степенью заполненности проводимости зоны. Строгий расчёт осложнён учётом вклада от электронов, лежащих глубоко под поверхностью Ферми, где их нельзя считать квазисвободными при любом законе дисперсии. Эфф. гамильтониан можно определить, предположив квадратичный закон дисперсии электронов проводимости где m* - эффективная масса s-электрона. Тогда

здесь V - объём тела, (график этой ф-ции изображён на рис.). Ф-ция определяет зависимость обменного интеграла от расстояния R_nm между магн. ионами. В зависимости от величины R_nm обмен может быть ферромагнитным ( , и антиферромагнитным . С ростом расстояния R_nm осцилляции затухают и при больших расстояниях.

В отличие от короткодействующего прямого OВ. РККИ-о. в. имеет большой радиус. Интеграл сильно зависит от концентрации свободных носителей заряда n_s. Т. к. ,. Поэтому в диэлектриках, где концентрация свободных носителей заряда очень мала, РККИ-о. в. можно не учитывать. РККИ-о. в. позволяет объяснить существование разл. магн. структур. Так, если ближайшие магн. соседи расположены на расстояниях, при к-рых, то осуществится ферромагн. упорядочение, если,- то антиферромагнитное. Более сложные магн. структуры, напр. геликоидальные, можно также объяснить с помощью существования знакопеременного 0В.

Лит.: 1) Ruderman M. А., К i t t e 1 С., Indirect exchange coupling of nuclear magnetic moments by conduction electrons, «Phys. Rev.», 1954, v. 96, p. 99; 2) К a s u у а Т., A theory of metallic ferro- and antiferromagnetism on Zencr's model, «Progr. Theor. Phys.», 1956, v. 16, p. 45; 3) Y о s i d a K., Magnetic proper i. > of Cu-Mn alloys, «Phys. Rev.», 1957.,. v. 106, p. 893; 4) У а и т Р. М., Квантовая теория магнетизма, пер. с англ., 2 изд., М., 1985. А. В. Ведяев, О. А. Котелънипова.

   <<      Предметный указатель      >>