什么是自旋交换理论

什么是自旋交换理论

交换作用是电子间的一种量子力学效应，这种作用从性质上说，是一种静电相互作用，它使得自旋平行的一对电子和自旋反平行的一对电子具有不同的能量.在固体中，磁性电子往往从属于相应的磁性离子.因此通常也有两个磁性离子之间或两个磁矩之间的交换作用这样的说法.
交换作用的原理，可用两个绕核运动的电子组成的系统来说明.描述这一系统的波函数可表为电子空间波函数与自旋波函数的乘积.由于电子是自旋为1/2的Fermi子，因而交换这两个电子的坐标时，系统的波函数必须是反对称的.于是，如果波函数的空间部分是对称的，则自旋部分必须是反对称的(相应于自旋反平行)，而如果系统波函数的空间部分是反对称的，则自旋部分必须是对称的(相应于自旋平行).由于系统的与自旋平行及反平行相应的这两种波函数的空间部分不同，因而在相应的状态中电子之间的静电相互作用能也就不同.如将空间波函数对称时系统的波函数记作ψS，而空间波函数反对称时系统的波函数记作ψA，则两种状态中系统的能量差为（见图片）， 其中H是系统的哈密顿量，J叫做交换积分.J>0时，电子的自旋倾向于相互平行，J<0时，电子的自旋倾向于反平行.与这 一能量差相应的作用就叫做交换作用.利用交换积分J，可将两个电子间的交换作用能写为Eex＝-2Js1·s2 .交换积分J来源于两个电子波函数的交迭，因此电子间的这种交换作用只当两个电子的波函数有所交迭时才能存在，是一种直接的短程的相互作用.其大小与自旋间的相对取向有关而与自旋在空间中的取向无关，因而又是各向同性的.
对原子内同一壳层中的电子，J>0，于是在满足Pauli不相容原理的前提下，其自旋有相互平行的趋势，从而导致了著名的Hund法则的第一条.这种交换作用叫做原子内的直接交换作用.在固体中，磁性离子之间的交换作用按磁性离子之间不同的相互关系，可以分为两类.一类是直接交换作用，这里两个磁性离子靠得近，它们的磁性电子的波函数有足够的交迭从而产生交换作用，其交换积分的值则可正可负.另一类是间接交换作用，这里磁性离子离得远，它们之间的交换作用是依靠第三者为媒介而发生的.在绝缘体材料中，磁性离子通过与它最邻近的逆磁性离子的媒介而与另一磁性离子发生交换作用，由于这时两个磁性离子的距离已经超过它们的波函数得以产生明显交迭的距离，因而这种间接交换作用又被称为超交换作用.在金属材料中，交换作用是依靠巡游电子为媒介而发生的.依照具体情况的不同，又有s-d，s-f，d-d等几种机制.在s-d，s-f作用的情形，d电子和f电子是局域的磁性电子，它们与s传导电子产生直接交换作用而使传导电子的自旋产生在空间作振荡式衰减的极化.极化了的传导电子再与另一磁性离子上局域的d电子或f电子产生交换作用，从而使磁性离子相互耦合起来.这种依靠传导电子的极化而产生的交换作用叫做RKKY相互作用.而d-d交换作用则是通过巡游的d电子为媒介而使局域d电子发生相互作用的.一般说这种相互作用要比RKKY相互作用强.在不计自旋-轨道耦合时，以上各种交换作用都是各向同性的.而在计入自旋轨道耦合以后，磁性离子之间还会出现各向异性的交换作用.其中又包括两部分，一是对称的赝偶极子相互作用，另一是反对称的Dzyalo-Shin-sky-Moriya相互作用.一般说，各向异性交换作用的强度比各向同性交换作用小，它是磁性材料中磁晶各向异性的重要来源.
交换作用是造成固体磁有序的决定性因素.