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).
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.