Обменное взаимодействие является фундаментальным понятием в спинтронике и магнетизме, поскольку оно определяет характер магнитного упорядочения частиц с собственным спином. В двумерных системах (2D) характер обменных взаимодействий существенно отличается от трёхмерных кристаллов из-за ограничения степени свободы движения электронов и усиления квантовых флуктуаций. Основные типы обменных взаимодействий, имеющие ключевое значение для 2D систем, включают прямое обменное взаимодействие, суперобмен, РKKY-взаимодействие и ДМ-интеракцию (Дзёлио–Мориа–Дзунг).
Прямое обменное взаимодействие возникает в результате перекрытия волновых функций соседних электронов. Для электронов на атомах с неполной оболочкой, находящихся в непосредственной близости друг от друга, обменная энергия определяется антисимметричностью волновой функции Ферми–Дирака:
Eобмен = −2JSi ⋅ Sj,
где J — константа обмена, Si, Sj — спины соседних электронов. В двумерных материалах, таких как графеновые наноленты или монослои переходных металлов дихалькогенидов (TMD), прямой обмен усиливается за счёт уменьшенного экранирования и повышенной локализации электронов.
Ключевой момент: в 2D системах эффект прямого обмена проявляется на коротких расстояниях и определяется топологией кристаллической решетки.
Суперобмен — это косвенное взаимодействие между спинами через промежуточный немагнитный атом (обычно кислород или селен). В отличие от прямого обмена, суперобмен обусловлен виртуальными переходами электронов на соседние орбитали:
$$ J_{\text{супер}} \sim \frac{t^2}{U}, $$
где t — элемент переноса между орбиталями, U — энергия кулоновского отталкивания. Знак Jсупер (ферромагнитный или антиферромагнитный) определяется углом и симметрией связи. В 2D системах суперобмен часто определяет магнитные свойства монолей и ультратонких пленок оксидов переходных металлов.
Особенность 2D: квантовые флуктуации усиливают влияние суперобмена на магнитное состояние, что может приводить к нестандартным фазовым переходам и спиновой фрустрации.
Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida (RKKY) взаимодействие описывает косвенный обмен между локализованными спинами через проводящие электроны. Для двумерной системы энергия взаимодействия двух спинов на расстоянии r имеет вид:
$$ J_{\text{RKKY}}(r) \propto \frac{\cos(2k_F r)}{r^2}, $$
где kF — волновое число Ферми. В 2D металлах и графеноподобных системах RKKY демонстрирует следующие особенности:
Ключевой момент: RKKY в 2D системах особенно важен для магнетизации редкоземельных атомов на поверхности графена или топологических изоляторов.
ДМ-интеракция возникает в системах с сильным спин-орбитальным взаимодействием и нарушением инверсной симметрии:
HDM = Dij ⋅ (Si × Sj),
где Dij — вектор ДМ, определяемый структурой кристалла. В двумерных материалах, таких как монослои металлов на подложках с сильной спин-орбитальной связью, ДМ-интеракция играет ключевую роль в формировании:
Особенность 2D: ограничение движения электронов усиливает эффект ДМ-интеракции на макроскопические магнитные свойства.
В двумерных системах характер обменных взаимодействий сильно зависит от:
Ключевой момент: точное моделирование 2D спиновой системы требует учёта всех вышеупомянутых факторов одновременно, так как они влияют на магнитные фазовые переходы, критические температуры и динамику спинов.
Для изучения обменных взаимодействий в 2D системах применяются как экспериментальные, так и теоретические подходы:
Особенность 2D: квантовые эффекты усиливаются, поэтому теоретические модели должны учитывать сильную корреляцию электронов и анизотропию спиновых взаимодействий.