Взаимодействие РККИ

Взаимодействие РККИ — это дальнодействующее взаимодействие между магнитными моментами в металле. Энергия колеблется с расстоянием, затухая как . Колебания вызваны взаимодействием магнитных моментов с электронами проводимости в металле. ${\displaystyle r^{-3}}$

Схематическая диаграмма 4 электронов, рассеянных 4 магнитными атомами, находящимися далеко друг от друга. Каждый атом находится в центре затухающих электронных волн. Электроны опосредуют взаимодействия между атомами, полюса которых могут переворачиваться из-за влияния других атомов и окружающих электронов. Воспроизведено из ^[1] и ^[2] .

В физической теории намагничивания спинового стекла взаимодействие Рудермана –Киттеля–Касуи–Йосиды ( РККИ ) моделирует связь ядерных магнитных моментов или локализованных внутренних электронных спинов d- или f-оболочек через электроны проводимости . Оно названо в честь Малвина Рудермана , Чарльза Киттеля , Тадао Касуи и Кея Йосиды, физиков, которые первыми предложили и разработали эту модель.

Малвин Рудерман и Чарльз Киттель из Калифорнийского университета в Беркли впервые предложили модель для объяснения необычно широких линий ядерного спинового резонанса в естественном металлическом серебре. Теория представляет собой косвенную обменную связь : сверхтонкое взаимодействие связывает ядерный спин одного атома с электроном проводимости, также связанным со спином другого ядра. Предположение о сверхтонком взаимодействии оказывается ненужным и может быть с равным успехом заменено обменным взаимодействием .

Простейший подход предполагает базис волновой функции Блоха и, следовательно, применим только к кристаллическим системам; результирующая корреляционная энергия, вычисленная с помощью теории возмущений , принимает следующий вид: где H представляет гамильтониан , R _ij - расстояние между ядрами i и j , I _i - ядерный спин атома i , Δ _{k m k m} - матричный элемент, представляющий силу сверхтонкого взаимодействия, m ^* - эффективная масса электронов в кристалле, а k _m - импульс Ферми . ^[3] Интуитивно мы можем представить это так, как если бы один магнитный атом рассеивал электронную волну, которая затем рассеивалась бы другим магнитным атомом на расстоянии многих атомов, таким образом связывая спины двух атомов. ^[2] $${\displaystyle H(\mathbf {R} _{ij})={\frac {\mathbf {I} _{i}\cdot \mathbf {I} _{j}}{4}}{\frac {\left|\Delta _{k_{m}k_{m}}\right|^{2}m^{*}}{(2\pi )^{3}R_{ij}^{4}\hbar ^{2}}}\left[2k_{m}R_{ij}\cos(2k_{m}R_{ij})-\sin(2k_{m}R_{ij})\right]{\text{,}}}$$

Тадао Касуя из Нагойского университета позже предположил, что подобная косвенная обменная связь может происходить с локализованными внутренними спинами d-электронов вместо ядер. ^[4] Эта теория была более полно расширена Кей Йосидой из Калифорнийского университета в Беркли, чтобы дать гамильтониан, который описывает взаимодействия (спин d-электрона)–(спин d-электрона), (спин ядра)–(спин ядра) и (спин d-электрона)–(спин ядра). ^[5] Дж. Х. Ван Флек прояснил некоторые тонкости теории, в частности, связь между пертурбативными вкладами первого и второго порядка. ^[6]

Возможно, наиболее значимое применение теории РККИ было в теории гигантского магнитосопротивления (ГМС). ГМС было обнаружено, когда связь между тонкими слоями магнитных материалов, разделенных немагнитным разделительным материалом, колебалась между ферромагнитным и антиферромагнитным состояниями в зависимости от расстояния между слоями. Это ферромагнитное/антиферромагнитное колебание является одним из предсказаний теории РККИ. ^{[7] [8]}

Ссылки

1. Stein, Daniel L. (июль 1989). «Спиновые стекла». Scientific American . 261 (1): 52–59. doi :10.1038/scientificamerican0789-52. ISSN  0036-8733.
2. Stein, Daniel L.; Newman, Charles M. (2013). Спиновые стекла и сложность . Праймеры в сложных системах. Princeton Oxford: Princeton University Press. Рисунок 4.4. ISBN 978-0-691-14733-8.
3. Рудерман, МА; Киттель, К. (1954). «Косвенная обменная связь ядерных магнитных моментов электронами проводимости». Physical Review . 96 (1): 99–102. Bibcode :1954PhRv...96...99R. doi :10.1103/PhysRev.96.99.
4. Касуя, Тадао (1956). «Теория металлического ферро- и антиферромагнетизма на основе модели Ценера». Progress of Theoretical Physics . 16 (1): 45–57. Bibcode :1956PThPh..16...45K. doi : 10.1143/PTP.16.45 .
5. Yosida, Kei (1957). «Магнитные свойства сплавов Cu-Mn». Physical Review . 106 (5): 893–898. Bibcode : 1957PhRv..106..893Y. doi : 10.1103/PhysRev.106.893.
6. Ван Флек, Дж. Х. (1962). «Заметка о взаимодействиях между спинами магнитных ионов или ядер в металлах». Reviews of Modern Physics . 34 (4): 681–686. Bibcode : 1962RvMP...34..681V. doi : 10.1103/RevModPhys.34.681.
7. Паркин, ССП ; Маури, Д. (1991). «Спиновая инженерия: прямое определение функции дальнего поля Рудермана-Киттеля-Касуи-Йосиды в рутении». Physical Review B. 44 ( 13): 7131–7134. Bibcode : 1991PhRvB..44.7131P. doi : 10.1103/PhysRevB.44.7131. PMID  9998616.
8. Яфет, Ю. (1987). «Функция диапазона Рудермана-Киттеля-Касуи-Йосиды одномерного газа свободных электронов». Физический обзор B . 36 (7): 3948–3949. Бибкод : 1987PhRvB..36.3948Y. doi : 10.1103/PhysRevB.36.3948.

Дальнейшее чтение

• Бландин, А.; Фридель, Дж. (1959). «Магнитные свойства разбавленных металлов. Магнитное и антиферромагнетическое взаимодействие в сплавах типа благородный металл-переходный металл». Журнал Physique et le Radium . 20 (2–3): 160. doi :10.1051/jphysrad:01959002002-3016000.