Interacción RKKY

La interacción RKKY es una interacción de largo alcance entre momentos magnéticos en un metal. La energía oscila con la distancia y decae a medida que . Las oscilaciones son causadas por la interacción de los momentos magnéticos con los electrones de conducción del metal. ${\displaystyle r^{-3}}$

Un diagrama esquemático de 4 electrones dispersos por 4 átomos magnéticos muy separados. Cada átomo está en el centro de ondas de electrones en descomposición. Los electrones median en las interacciones entre los átomos, cuyos polos pueden invertirse debido a la influencia de otros átomos y los electrones circundantes. Reproducido de ^[1] y ^[2] .

En la teoría física de la magnetización del vidrio de espín , la interacción Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida ( RKKY ) modela el acoplamiento de momentos magnéticos nucleares o espines de electrones internos localizados en las capas d o f a través de electrones de conducción . Lleva el nombre de Malvin Ruderman , Charles Kittel , Tadao Kasuya y Kei Yosida, los físicos que propusieron y desarrollaron por primera vez el modelo.

Malvin Ruderman y Charles Kittel de la Universidad de California en Berkeley propusieron por primera vez el modelo para explicar líneas de resonancia de espín nuclear inusualmente anchas en plata metálica natural. La teoría es un acoplamiento de intercambio indirecto : la interacción hiperfina acopla el espín nuclear de un átomo a un electrón de conducción también acoplado al espín de un núcleo diferente. La suposición de una interacción hiperfina resulta innecesaria y puede sustituirse igualmente por la interacción de intercambio .

El tratamiento más sencillo supone una función de onda de Bloch y, por tanto, sólo se aplica a sistemas cristalinos; la energía de correlación resultante, calculada con la teoría de perturbaciones , toma la siguiente forma: donde H representa el hamiltoniano , Rij _es la distancia entre los núcleos i y j , I _i es el espín nuclear del átomo i , Δ _{k m k m} es un elemento de la matriz que representa la fuerza de la interacción hiperfina, m ^* es la masa efectiva de los electrones en el cristal y k _m es el momento de Fermi . ^[3] Intuitivamente, podemos imaginar esto como cuando un átomo magnético dispersa una onda de electrón, que luego dispersa otro átomo magnético a muchos átomos de distancia, acoplando así los espines de los dos átomos. ^[2] $${\displaystyle H(\mathbf {R} _{ij})={\frac {\mathbf {I} _{i}\cdot \mathbf {I} _{j}}{4}}{\frac {\left|\Delta _{k_{m}k_{m}}\right|^{2}m^{*}}{(2\pi )^{3}R_{ij}^{4}\hbar ^{2}}}\left[2k_{m}R_{ij}\cos(2k_{m}R_{ij})-\sin(2k_{m}R_{ij})\right]{\text{,}}}$$

Tadao Kasuya, de la Universidad de Nagoya, propuso más tarde que podría producirse un acoplamiento de intercambio indirecto similar con espines internos localizados del electrón d en lugar de núcleos. ^[4] Esta teoría fue ampliada más completamente por Kei Yosida de la UC Berkeley, para dar un hamiltoniano que describe (espín del electrón d)–(espín del electrón d), (espín nuclear)–(espín nuclear) y (d -interacciones de espín electrónico)–(espín nuclear). ^[5] JH Van Vleck aclaró algunas sutilezas de la teoría, particularmente la relación entre las contribuciones perturbativas de primer y segundo orden. ^[6]

Quizás la aplicación más significativa de la teoría RKKY haya sido la teoría de la magnetorresistencia gigante (GMR). GMR se descubrió cuando se descubrió que el acoplamiento entre capas delgadas de materiales magnéticos separados por un material espaciador no magnético oscilaba entre ferromagnético y antiferromagnético en función de la distancia entre las capas. Esta oscilación ferromagnética/antiferromagnética es una predicción de la teoría RKKY. ^{[7] [8]}

Referencias

1. Stein, Daniel L. (julio de 1989). "Gafas giratorias". Científico americano . 261 (1): 52–59. doi : 10.1038/scientificamerican0789-52. ISSN  0036-8733.
2. Stein, Daniel L.; Newman, Charles M. (2013). Vasos giratorios y complejidad . Imprimaciones en sistemas complejos. Princeton Oxford: Prensa de la Universidad de Princeton. Figura 4.4. ISBN 978-0-691-14733-8.
3. Ruderman, MA; Kittel, C. (1954). "Acoplamiento de intercambio indirecto de momentos magnéticos nucleares por electrones de conducción". Revisión física . 96 (1): 99-102. Código bibliográfico : 1954PhRv...96...99R. doi : 10.1103/PhysRev.96.99.
4. Kasuya, Tadao (1956). "Una teoría del ferromagnetismo y antiferromagnetismo metálico según el modelo de Zener". Progresos de la Física Teórica . 16 (1): 45–57. Código bibliográfico : 1956PThPh..16...45K. doi : 10.1143/PTP.16.45 .
5. Yosida, Kei (1957). "Propiedades magnéticas de las aleaciones Cu-Mn". Revisión física . 106 (5): 893–898. Código bibliográfico : 1957PhRv..106..893Y. doi : 10.1103/PhysRev.106.893.
6. Van Vleck, JH (1962). "Nota sobre las interacciones entre los espines de iones o núcleos magnéticos en los metales". Reseñas de Física Moderna . 34 (4): 681–686. Código bibliográfico : 1962RvMP...34..681V. doi :10.1103/RevModPhys.34.681.
7. Parkin, SSP ; Mauri, D. (1991). "Ingeniería de espín: determinación directa de la función de rango de campo lejano de Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida en rutenio". Revisión Física B. 44 (13): 7131. Código bibliográfico : 1991PhRvB..44.7131P. doi : 10.1103/PhysRevB.44.7131.
8. Yafet, Y. (1987). "Función de rango Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida de un gas unidimensional de electrones libres". Revisión Física B. 36 (7): 3948–3949. Código bibliográfico : 1987PhRvB..36.3948Y. doi : 10.1103/PhysRevB.36.3948.

Otras lecturas

• Blandín, A.; Friedel, J. (1959). "Propriétés magnétiques des alliages dilués. Interacciones magnéticas y antiferromagnétisme dans les alliages du type métal noble-métal de transición". Journal de Physique et le Radium . 20 (2–3): 160. doi :10.1051/jphysrad:01959002002-3016000.