雙交換作用屬於交換作用的一種,由克拉倫斯·齊納首先提出[1]。這種磁矩間的相互作用存在於具有多重陽離子價態的體系中。雙交換作用理論通過分析不同的自旋排列模式下,電子在離子間躍遷的難度,來預測材料是會體現鐵磁性反鐵磁性還是旋磁性。[2]

以含錳氧化物體系 La1-xAxMnO3 為例,其中的 Mn-O-Mn 鏈上,錳離子的 eg 軌道與氧離子的 p 軌道之間彼此存在直接的相互作用。若兩個錳離子價態分別是 +3 與 +4 ,則依據洪特規則,錳離子上的基態電子排布如下圖所示:

含錳氧化物中雙交換作用的示意圖。雙交換作用涉及各離子最外層軌道的電子,即 Mn3+的 3d4、Mn4+的 3d3和 O2-的 2p6。其中 eg 和 t2g 表示晶體場理論中 d 軌道在八面體場中分裂產生的軌道能級。

若氧離子中的一個自旋向上的電子轉移至 Mn4+ 上,則其空出來的 p 軌道就能夠從左側的 Mn3+ 處接受一個電子。這兩個步驟產生的總效果是 Mn3+ 上的一個電子轉移到了右側的 Mn4+ 上。雙交換作用模型闡明,若這個過程中該電子的自旋不發生反轉,則電子遷移的難度更低,因為它滿足洪特規則對於新加入的電子自旋的要求。這種攜帶着自身自旋進行遷移的電子因為遷移難度低,離域程度高,因此具有更低的動能。故此,雙交換作用最終導致鐵磁性的陽離子磁矩耦合。

乍看起來,該模型和超交換作用有相似之處,都是由陰離子介導的陽離子間的磁矩相互耦合作用。但兩者從機理上講是不同的:超交換作用中,參與過程的兩個陽離子具有同樣的化合價,且軌道內的電子態是定域的;雙交換作用的模型中,其中一個陽離子必須比另一個陽離子多一個電子,該電子是以離域電子的形式參與到交換作用中來的。[1][3]

參考文獻

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  1. ^ 1.0 1.1 Clarence Zener. Interaction between the d-Shells in the Transition Metals. II. Ferromagnetic Compounds of Manganese with Perovskite Structure. Physical Review. 1951, 82 (3): 403. Bibcode:1951PhRv...82..403Z. doi:10.1103/PhysRev.82.403. 
  2. ^ Azhar, Maria; Mostovoy, Maxim. Incommensurate Spiral Order from Double-Exchange Interactions. Physical Review Letters. 2017, 118 (2): 027203. Bibcode:2017PhRvL.118b7203A. PMID 28128593. S2CID 13478577. arXiv:1611.03689 . doi:10.1103/PhysRevLett.118.027203. 
  3. ^ Pierre-Gilles de Gennes. Effects of Double Exchange in Magnetic Crystals. Physical Review. 1960, 118 (1): 141. Bibcode:1960PhRv..118..141D. doi:10.1103/PhysRev.118.141. 

外部連結

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  • Exchange Mechanisms頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) in E. Pavarini, E. Koch, F. Anders, and M. Jarrell: Correlated Electrons: From Models to Materials, Jülich 2012, ISBN 978-3-89336-796-2