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 como . Las oscilaciones son causadas por la interacción de los momentos magnéticos con los electrones de conducción en el metal. ${\displaystyle r^{-3}}$

Diagrama esquemático de 4 electrones dispersos por 4 átomos magnéticos muy separados. Cada átomo está en el centro de las ondas de electrones en descomposición. Los electrones median las interacciones entre los átomos, cuyos polos pueden cambiar 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 localizados en la capa d o f interna a través de electrones de conducción . Recibe su nombre en honor a Malvin Ruderman , Charles Kittel , Tadao Kasuya y Kei Yosida, los físicos que propusieron y desarrollaron el modelo por primera vez.

Malvin Ruderman y Charles Kittel, de la Universidad de California en Berkeley, propusieron por primera vez el modelo para explicar las líneas de resonancia de espín nuclear inusualmente anchas en la 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. El supuesto de interacción hiperfina resulta innecesario y puede reemplazarse igualmente bien con la interacción de intercambio .

El tratamiento más simple asume una base de función de onda de Bloch y por lo 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 , R _ij 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 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 electrones, que luego se dispersa en 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 de electrones 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 las interacciones (espín del electrón d)–(espín del electrón d), (espín nuclear)–(espín nuclear) y (espín del electrón d)–(espín nuclear). ^[5] JH Van Vleck aclaró algunas sutilezas de la teoría, en particular la relación entre las contribuciones perturbativas de primer y segundo orden. ^[6]

Quizás la aplicación más significativa de la teoría RKKY ha sido la teoría de la magnetorresistencia gigante (GMR). La GMR se descubrió cuando se descubrió que el acoplamiento entre capas delgadas de materiales magnéticos separadas 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). "Spin Glasses". Scientific American . 261 (1): 52–59. doi :10.1038/scientificamerican0789-52. ISSN  0036-8733.
2. Stein, Daniel L.; Newman, Charles M. (2013). Vidrios de espín y complejidad . Cebadores en sistemas complejos. Princeton Oxford: Princeton University Press. 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". Physical Review . 96 (1): 99–102. Bibcode :1954PhRv...96...99R. doi :10.1103/PhysRev.96.99.
4. Kasuya, Tadao (1956). "Una teoría del ferro- y antiferromagnetismo metálico según el modelo de Zener". Progreso de la física teórica . 16 (1): 45–57. Bibcode :1956PThPh..16...45K. doi : 10.1143/PTP.16.45 .
5. Yosida, Kei (1957). "Propiedades magnéticas de aleaciones de Cu-Mn". Physical Review . 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 magnéticos o núcleos en metales". Reseñas de física moderna . 34 (4): 681–686. Bibcode :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". Physical Review B . 44 (13): 7131–7134. Bibcode :1991PhRvB..44.7131P. doi :10.1103/PhysRevB.44.7131. PMID  9998616.
8. Yafet, Y. (1987). "Función de rango de Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida de un gas unidimensional de electrones libres". Physical Review B . 36 (7): 3948–3949. Código Bibliográfico :1987PhRvB..36.3948Y. doi :10.1103/PhysRevB.36.3948.

Lectura adicional

• 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.