Supercambio

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El superintercambio o interacción de superintercambio de Kramers–Anderson es un acoplamiento de intercambio indirecto prototípico entre momentos magnéticos vecinos (normalmente los cationes vecinos más próximos , véase la ilustración esquemática de MnO a continuación) en virtud del intercambio de electrones a través de un anión no magnético conocido como centro de superintercambio . De esta manera, se diferencia del intercambio directo , en el que hay una superposición directa de la función de onda de los electrones de los cationes vecinos más cercanos que no implican un anión intermediario o un centro de intercambio. Si bien el intercambio directo puede ser ferromagnético o antiferromagnético, la interacción de superintercambio suele ser antiferromagnética, prefiriendo la alineación opuesta de los momentos magnéticos conectados. De forma similar al intercambio directo, el superintercambio requiere el efecto combinado del principio de exclusión de Pauli y la repulsión de Coulomb de los electrones. Si el centro de superintercambio y los momentos magnéticos a los que se conecta no son colineales, es decir, los enlaces atómicos están inclinados, el superintercambio estará acompañado por el intercambio antisimétrico conocido como interacción Dzyaloshinskii–Moriya , que prefiere la alineación ortogonal de los momentos magnéticos vecinos. En esta situación, las contribuciones simétricas y antisimétricas compiten entre sí y pueden dar como resultado texturas de espín magnético versátiles, como los skyrmions magnéticos .

El superintercambio fue propuesto teóricamente por Hendrik Kramers en 1934, cuando notó que en cristales como el óxido de manganeso (II) (MnO), hay átomos de manganeso que interactúan entre sí a pesar de tener átomos de oxígeno no magnéticos entre ellos. ^[1] Phillip Anderson refinó posteriormente el modelo de Kramers en 1950. ^[2]

En la década de 1950, John B. Goodenough y Junjiro Kanamori  ^[ja] desarrollaron un conjunto de reglas semiempíricas . ^{[3] [4] [5]} Estas reglas, ahora conocidas como reglas de Goodenough-Kanamori , han demostrado ser muy exitosas en la racionalización de las propiedades magnéticas de una amplia gama de materiales a nivel cualitativo. Se basan en las relaciones de simetría y la ocupación electrónica de los orbitales atómicos superpuestos (suponiendo que el modelo localizado de Heitler-London, o de enlace de valencia , es más representativo del enlace químico que el modelo deslocalizado, o de Hund-Mulliken-Bloch). En esencia, el principio de exclusión de Pauli dicta que entre dos iones magnéticos con orbitales semiocupados, que se acoplan a través de un ion no magnético intermediario (por ejemplo, O ²⁻ ), el superintercambio será fuertemente antiferromagnético, mientras que el acoplamiento entre un ion con un orbital lleno y uno con un orbital medio lleno será ferromagnético. El acoplamiento entre un ion con un orbital medio lleno o lleno y uno con un orbital vacante puede ser antiferromagnético o ferromagnético, pero generalmente favorece al ferromagnético. ^[6] Cuando hay múltiples tipos de interacciones presentes simultáneamente, la antiferromagnética es generalmente dominante, ya que es independiente del término de intercambio intraatómico. ^[7] Para casos simples, las reglas de Goodenough-Kanamori permiten predecir fácilmente el intercambio magnético neto esperado para el acoplamiento entre iones. Las complicaciones comienzan a surgir en varias situaciones:

1. cuando los mecanismos de intercambio directo y de súper intercambio compiten entre sí;
2. cuando el ángulo de enlace catión-anión-catión se desvía de 180°;
3. cuando la ocupación electrónica de los orbitales no es estática o dinámica;
4. y cuando el acoplamiento espín-órbita se vuelve importante.

El doble intercambio es una interacción de acoplamiento magnético relacionada propuesta por Clarence Zener para explicar las propiedades de transporte eléctrico. Se diferencia del superintercambio de la siguiente manera: en el superintercambio, la ocupación de la capa d de los dos iones metálicos es la misma o difiere en dos, y los electrones están localizados. Para otras ocupaciones (doble intercambio), los electrones son itinerantes (deslocalizados); esto da como resultado que el material muestre acoplamiento de intercambio magnético, así como conductividad metálica.

Los orbitales p del oxígeno y los orbitales d del manganeso pueden formar un intercambio directo. Existe un orden antiferromagnético porque el estado singlete es energéticamente favorable. Esta configuración permite una deslocalización de los electrones involucrados debido a una disminución de la energía cinética. ^{[ cita requerida ]}

La teoría de perturbación mecánico-cuántica da como resultado una interacción antiferromagnética de los espines de los átomos de Mn vecinos con el operador de energía ( hamiltoniano ).

${\displaystyle {\mathcal {H}}_{1,2}=+{\frac {2t_{\text{Mn,O}}^{2}}{U}}{\hat {S}}_{1}\cdot {\hat {S}}_{2},}$

donde t _Mn,O es la llamada energía de salto entre un Mn 3 d y los orbitales p del oxígeno , mientras que U es la llamada energía de Hubbard para Mn. La expresión es el producto escalar entre los operadores de vector de espín de Mn ( modelo de Heisenberg ).${\displaystyle {\hat {S}}_{1}\cdot {\hat {S}}_{2}}$

• Erik Koch (2012). "Mecanismos de intercambio" (PDF) . En E. Pavarini; E. Koch; F. Anders; M. Jarrell (eds.). Electrones correlacionados: de modelos a materiales . Jülich. ISBN 978-3-89336-796-2.