Superaustausch

Superaustausch ergibt eine indirekte, antiferromagnetische Spinkopplung magnetischer Momente in einem Stoff.

Die Kopplung erfolgt hierbei über ein vermittelndes, diamagnetisches Teilchen (z. B. Liganden). Dabei induziert der Spin eines besetzten Metallorbitals (meist ein d-Orbital) eine "Spinpolarisation" in einem vollständig besetzten, benachbarten Orbital (meist ein p-Orbital) des Liganden, in welchem gemäß dem Pauli-Verbot die Spins eine antiparallele Anordnung haben müssen. Dies führt nun zu einer antiparallelen Kopplung der Spins in einem weiteren benachbarten Metallatom und somit zu einer antiferromagnetischen (Teil-)Ordnung. Der Superaustausch ist nur bei annähernd linearer oder linearer Anordnung effektiv (~ „180 °-Superaustausch“), da bei einer zu großen Abweichung von der Linearität es sich nicht mehr um ein, sondern um mehrere, allerdings magnetisch voneinander unabhängige vermittelnde Orbitale handelt.

Der Name wurde 1934 von Hendrik Anthony Kramers[1] geprägt und 1950 vom Träger des Nobelpreises für Physik Philip Warren Anderson vertieft.[2] Diese Autoren haben nicht nur den Mechanismus beschrieben, sondern auch typische Anwendungssysteme angegeben:

Beispiele

Beispiele sind Oxide, die im NaCl-Typ kristallisieren (antiferromagnetisch, s. Abb. 1) oder Spinelle (ferrimagnetisch).

Abb.1: Superaustausch am Bspl. von MnO

Quantenmechanische Störungsrechnung ergibt für die antiferromagnetische Wechselwirkung der Spins auf benachbarten Mn-Plätzen 1 bzw. 2 den Energie-Operator (Hamiltonoperator) $ \mathcal H_{1,\, 2} =+\frac{2t_{Mn,\,O}^2\,}{U}\hat S_1\cdot\hat S_2\,, $ wobei $ t_{Mn, O} $ die sog. Hopping-Energie zwischen Mn und dem Sauerstoff-Atom ist, und U die für Mn charakteristische sog. „Hubbard-Energie“. Der Ausdruck $ \hat S_1\cdot\hat S_2 $ ist das Skalarprodukt der Spin-Vektoren (Heisenberg-Modell).

Der Superaustausch ist dafür verantwortlich, dass man bei der Betrachtung von Manganchalkogenen (MnO, MnS, MnSe) feststellt, dass mit zunehmender Ordnungszahl eine Erhöhung der Néel-Temperatur zu beobachten ist. Dies rührt daher, dass die p-Orbitale der schwereren Chalkogene an Größe gewinnen und so eine bessere Überlappung mit den Metallorbitalen gewährleistet ist. Die „Hopping-Energie“ wird dadurch größer.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. H. A. Kramers, Physica 1, 182 (1934).
  2. P. W. Anderson, Phys. Rev. 79, 350 (1950).

Diese Artikel könnten dir auch gefallen

Die letzten News aus den Naturwissenschaften

01.04.2021
Teilchenphysik
Myon g-2: Kleines Teilchen mit großer Wirkung
Das Myon g-2-Experiment des Fermilab in den USA steht vor einem Sensationsmoment, der die Geschichte der Teilchenphysik neu schreiben könnte.
01.04.2021
Planeten - Elektrodynamik - Strömungsmechanik
Zwei merkwürdige Planeten
Uranus und Neptun habe beide ein völlig schiefes Magnetfeld.
30.03.2021
Kometen_und_Asteroiden
Der erste interstellare Komet könnte der ursprünglichste sein, der je gefunden wurde
Neue Beobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) deuten darauf hin, dass der abtrünnige Komet 2I/Borisov einer der ursprünglichsten ist, die je beobachtet wurden.
25.04.2021
Raumfahrt - Astrophysik - Teilchenphysik
Erstmals Atominterferometer im Weltraum demonstriert
Atominterferometer erlauben hochpräzise Messungen, indem sie den Wellencharakter von Atomen nutzen.
25.03.2021
Quantenoptik
Sendungsverfolgung für eine Quantenpost
Quantenkommunikation ist abhörsicher, aber bislang nicht besonders effizient.
24.03.2021
Schwarze_Löcher - Elektrodynamik
Astronomen bilden Magnetfelder am Rand des Schwarzen Lochs von M 87 ab
Ein neuer Blick auf das massereiche Objekt im Zentrum der Galaxie M 87 zeigt das Erscheinungsbild in polarisierter Radiostrahlung.
24.03.2021
Astrophysik
Die frühesten Strukturen des Universums
Das extrem junge Universum kann nicht direkt beobachtet werden, lässt sich aber mithilfe mathematischer Theorien rekonstruieren.
23.03.2021
Supernovae - Teilchenphysik
Können Sternhaufen Teilchen höher beschleunigen als Supernovae?
Ein internationales Forschungsteam hat zum ersten Mal gezeigt, dass hochenergetische kosmische Strahlung in der Umgebung massereicher Sterne erzeugt wird. Neue Hinweise gefunden, wie kosmische Strahlung entsteht.
23.03.2021
Teilchenphysik
Neue Resultate stellen physikalische Gesetze in Frage
Forschende der UZH und des CERN haben neue verblüffende Ergebnisse veröffentlicht.
19.03.2021
Festkörperphysik - Teilchenphysik
Elektronen eingegipst
Eine scheinbar einfache Wechselwirkung zwischen Elektronen kann in einem extremen Vielteilchenproblem zu verblüffenden Korrelationen führen.