Exchangeinteraksjonen

Exchangeinteraksjonen er en kvantemekanisk effekt mellom spinnene til elektroner i nærhet av hverandre. Den oppstår som følge av den antisymmetriske bølgenfunksjonen til identiske fermioner og av Coulomb-kraften mellom elektronene. Resultatet er en effektive spin-spin kobling mellom nabospinn i materialer som kan favorisere parallelle eller antiparallelle spinnorientering.

Det finnes flere mekanismer: direkte utveksling (direct exchange) som oppstår ved overlapp av elektronorbitaler på nabospinn, ofte avhengig av elektronkonfigurasjonen og orbitalgeometri, og kan gi ferromagnetisk eller antiferromagnetisk kobling. Indirekte utveksling inkluderer superexchange, der utvekslingen skjer via mellomliggende ikke-magnetiske anioner (for eksempel oksygen) mellom magnetiske ioner, og dobbeltutveksling (double exchange) som oppstår i blandingsvalente materialer og ofte driver ferromagnetisme ved mobilitet av elektronene.

Matematisk beskrives utvekslingsinteraksjonen ofte med Heisenberg-modellen: H = - ∑_{<i,j>} J_ij S_i · S_j. Her er S_i spinnoperatoren på stedet i og J_ij utvekslingsintegralet mellom i og j. Fortegnet og størrelsen av J_ij bestemmer om spinnene foretrekker parallelle (ferromagnetisk) eller antiparallelle (antiferromagnetisk) orientering. Noen kilder bruker en annen konvensjon, slik at H = ∑_{<i,j>} J_ij S_i · S_j, og fortegnet tolkes i motsatt måte.

Exchangeinteraksjonen er sentral for å forklare magnetiske fenomener i faste stoffer, inkludert karakteristikk av Curie-temperaturer, spin-waves og egenskaper til materialer som jern, manganitter og andre magnetiske oksider.