Superintercambio o interacción de superintercambio Kramers-Anderson , es un acoplamiento de intercambio indirecto prototípico entre momentos magnéticos vecinos (generalmente cationes vecinos más cercanos , consulte 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. . En este sentido, se diferencia del intercambio directo , en el que hay una superposición directa de la función de onda del electrón de los cationes vecinos más cercanos que no involucran 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 y prefiere la alineación opuesta de los momentos magnéticos conectados. De manera similar al intercambio directo, el superintercambio requiere el efecto combinado del principio de exclusión de Pauli y la repulsión de los electrones de Coulomb . 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 irá acompañado del 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 observó 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]
John B. Goodenough y Junjiro Kanamori [ja] desarrollaron un conjunto de reglas semiempíricas en la década de 1950. [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 de electrones de los orbitales atómicos superpuestos (asumiendo que el modelo localizado de Heitler-London, o enlace de valencia , es más representativo del enlace químico que el modelo deslocalizado, o Hund-Mulliken-Bloch). . Esencialmente, el principio de exclusión de Pauli dicta que entre dos iones magnéticos con orbitales medio ocupados, 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 Un orbital lleno y otro con un orbital medio lleno serán ferromagnéticos. El acoplamiento entre un ion con un orbital lleno o medio lleno y uno con un orbital vacío puede ser antiferromagnético o ferromagnético, pero generalmente favorece al ferromagnético. [6] Cuando están presentes múltiples tipos de interacciones 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 fácilmente la predicción del intercambio magnético neto esperado para el acoplamiento entre iones. Las complicaciones comienzan a surgir en diversas situaciones:
El doble intercambio es una interacción de acoplamiento magnético relacionada propuesta por Clarence Zener para tener en cuenta las propiedades del transporte eléctrico. Se diferencia del superintercambio en 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 orden antiferromagnético porque el estado singlete se ve favorecido energéticamente. Esta configuración permite una deslocalización de los electrones involucrados debido a una disminución de la energía cinética. [ cita necesaria ]
La teoría de la perturbación mecánica cuántica da como resultado una interacción antiferromagnética de los espines de los átomos de Mn vecinos con el operador de energía ( Hamiltoniano ).
donde t Mn,O es la llamada energía de salto entre a 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 del vector de espín Mn ( modelo de Heisenberg ).
