雙交換作用

雙交換作用屬於交換作用的一種，由克拉倫斯·齊納首先提出^[1]。這種磁矩間的相互作用存在於具有多重陽離子價態的體系中。雙交換作用理論通過分析不同的自旋排列模式下，電子在離子間躍遷的難度，來預測材料是會體現鐵磁性、反鐵磁性還是旋磁性。^[2]

以含錳氧化物體系 La_1-xA_xMnO₃ 為例，其中的 Mn-O-Mn 鏈上，錳離子的 e_g 軌道與氧離子的 p 軌道之間彼此存在直接的相互作用。若兩個錳離子價態分別是 +3 與 +4 ，則依據洪特規則，錳離子上的基態電子排布如下圖所示：

含錳氧化物${\displaystyle {\text{La}}_{1-x}{\text{A}}_{x}{\text{Mn}}{\text{O}}_{3}}$中雙交換作用的示意圖。雙交換作用涉及各離子最外層軌道的電子，即 Mn³⁺的 3d⁴、Mn⁴⁺的 3d³和 O^2-的 2p⁶。其中 e_g 和 t_2g 表示晶體場理論中 d 軌道在八面體場中分裂產生的軌道能級。

若氧離子中的一個自旋向上的電子轉移至 Mn⁴⁺ 上，則其空出來的 p 軌道就能夠從左側的 Mn³⁺ 處接受一個電子。這兩個步驟產生的總效果是 Mn³⁺ 上的一個電子轉移到了右側的 Mn⁴⁺ 上。雙交換作用模型闡明，若這個過程中該電子的自旋不發生反轉，則電子遷移的難度更低，因為它滿足洪特規則對於新加入的電子自旋的要求。這種攜帶着自身自旋進行遷移的電子因為遷移難度低，離域程度高，因此具有更低的動能。故此，雙交換作用最終導致鐵磁性的陽離子磁矩耦合。

乍看起來，該模型和超交換作用有相似之處，都是由陰離子介導的陽離子間的磁矩相互耦合作用。但兩者從機理上講是不同的：超交換作用中，參與過程的兩個陽離子具有同樣的化合價，且軌道內的電子態是定域的；雙交換作用的模型中，其中一個陽離子必須比另一個陽離子多一個電子，該電子是以離域電子的形式參與到交換作用中來的。^[1][3]

參考文獻

1. Clarence Zener. Interaction between the d-Shells in the Transition Metals. II. Ferromagnetic Compounds of Manganese with Perovskite Structure. Physical Review. 1951, 82 (3): 403. Bibcode:1951PhRv...82..403Z. doi:10.1103/PhysRev.82.403.
2. Azhar, Maria; Mostovoy, Maxim. Incommensurate Spiral Order from Double-Exchange Interactions. Physical Review Letters. 2017, 118 (2): 027203. Bibcode:2017PhRvL.118b7203A. PMID 28128593. S2CID 13478577. arXiv:1611.03689 . doi:10.1103/PhysRevLett.118.027203.
3. Pierre-Gilles de Gennes. Effects of Double Exchange in Magnetic Crystals. Physical Review. 1960, 118 (1): 141. Bibcode:1960PhRv..118..141D. doi:10.1103/PhysRev.118.141.

外部連結

• Exchange Mechanisms （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） in E. Pavarini, E. Koch, F. Anders, and M. Jarrell: Correlated Electrons: From Models to Materials, Jülich 2012, ISBN 978-3-89336-796-2