» » » » » » Interacția spin-orbită

Interacția spin-orbită

În fizica cuantică, interacțiunea spin-orbită (numită și efect spin-orbită sau cuplare spin-orbită) este o interacțiune relativistă a spinului particulei cu mișcarea ei în interiorul unui potențial. Un exemplu cheie al acestui fenomen este interacțiunea spin-orbită care conduce la deplasări în nivelurile de energie atomică ale unui electron, datorită interacțiunii electromagnetice dintre dipolul magnetic al electronului, mișcarea sa orbitală și câmpul electrostatic al nucleului încărcat pozitiv. Acest fenomen este detectabil ca o divizare a liniilor spectrale care pot fi considerate ca un efect Zeeman produse de două efecte relativiste: câmpul magnetic aparent văzut din perspectiva electronului și momentul magnetic al electronului asociat spinului său intrinsec. Un efect similar, datorat relației dintre momentul unghiular și forța nucleară puternică, apare pentru protonii și neutronii care se deplasează în interiorul nucleului, ducând la o schimbare a nivelului lor de energie în modelul învelișului nuclear. În domeniul spintronicii, efectele spin-orbită pentru electronii din semiconductori și alte materiale sunt explorate pentru aplicații tehnologice. Interacțiunea spin-orbită este o cauză a anizotropiei magnetocristaline și a efectului Hall de spin.

Pentru atomi, divizarea nivelului de energie produsă de interacțiunea spin-orbită este de obicei de aceeași ordine în dimensiune cu corecțiile relativiste la energia cinetică și efectul zitterbewegung. Adăugarea acestor trei corecții este cunoscută sub numele de structură fină. Rețineți că efectul spin-orbită se datorează câmpului electrostatic al electronului și nu câmpului magnetic creat de orbita sa. Interacțiunea dintre câmpul magnetic creat de electron și momentul magnetic al nucleului este o corecție mai redusă la nivelurile de energie cunoscute sub denumirea de structură hiperfină.

Un calcul riguros al interacțiunii spin-orbită pentru un electron legat de un atom de tip hidrogen, până la ordinul întâi în teoria perturbării, utilizând unele electrodinamice semiclasice și mecanica cuantică non-relativistă ar folosi mecanica cuantică relativistă, utilizând ecuația Dirac, și ar include interacțiuni cu mai multe corpuri. Realizarea unui rezultat mai precis ar presupune calcularea unor mici corecții din electrodinamica cuantică.

Energia unui moment magnetic

Energia unui moment magnetic într-un câmp magnetic este dată de

ΔH = – μ·B,

unde μ este momentul magnetic al particulei, iar B este câmpul magnetic pe care îl experimentează.

În solide

Un solid cristalin (semiconductor, metal etc.) se caracterizează prin structura benzii sale. În timp ce pe scala globală (inclusiv nivelele de bază) interacțiunea spin-orbită este încă o mică perturbație, ea poate juca un rol relativ mai important dacă mărim la benzile apropiate de nivelul Fermi (EF). Interacțiunea atomică L·S (spin-orbită), de exemplu, divizează benzile care altfel ar degenera, iar forma particulară a acestei divizări spin-orbită (în mod obișnuit de ordinul câtorva până la câteva sute de milimetri de volum) depinde de sistemul particular. Benzile de interes pot fi apoi descrise prin diferite modele eficiente, bazate, de obicei, pe o anumită abordare perturbativă.

În ionii paramagnetici din solidul cristalin, de ex. ioni cu subînvelișul atomic neînchis d sau f, există stări electronice localizate. În acest caz, structura electronică a nivelurilor atomice este formată prin interacțiuni intrinseci spin-orbită magnetice și interacțiuni cu câmpurile electrice cristaline. Această structură este numită structura electronică fină. Pentru ionii de pământuri rare, interacțiunile spin-orbită sunt mult mai puternice decât interacțiunile cîmpului electric cristalin. Cuplarea puternică spin-orbită face J un număr cuantic relativ bun, deoarece primul multiplet excitat este de cel puțin ~ 130 meV (1500 K) deasupra multipletului primar. Rezultatul este că umplerea la temperatura camerei (300 K) este neglijabil mică. În acest caz, un multiplet primar degenerat divizat de (2J + 1) ori de către un cîmp electric cristalin extern (CEF) poate fi tratat ca o contribuție de bază la analiza proprietăților acestor sisteme. În cazul calculelor aproximative pentru baze |J,Jz›, pentru a determina care este multiplul principal, se aplică principiile Hund, cunoscute din fizica atomică:

  • Starea de bază a structurii termenilor are valoarea maximă S permisă de principiul excluziunii Pauli.
  • Starea de bază are un maxim permis L, cu maximul S.
  • Multipluul primar are un J = |L – S| corespunzător când învelișul este completat mai puțin de jumătate și J = L + S când este mai mult completat.

S, L și J ale multipletului de bază sunt determinate de regulile lui Hund. Multipletul de bază este 2J + 1 degenerat – degenerarea sa este eliminată prin interacțiunile câmpului electric cristalin și interacțiunile magnetice. Interacțiunile câmpului electric cristalin și interacțiunile magnetice seamănă, cumva, cu efectul Stark și Zeeman, cunoscute din fizica atomică. Energiile și funcțiile proprii ale structurii electronice fine discrete se obțin prin diagonalizarea matricei (2J + 1)-dimensionale. Structura electronică fină poate fi detectată direct prin multe metode spectroscopice diferite, incluzând experimentele de împrăștiere inelastică a neutronilor. Cazul interacțiunilor câmpului electric cristalin puternice cubice (pentru ionii de tranziție 3d) formează un grup de nivele (de exemplu, T2g, A2g), care sunt parțial divizate prin interacțiuni spin-orbită și interacțiuni ale câmpului electric cristalin cu simetrie inferioară. Energiile și funcțiile proprii ale structurii electronice fine discrete (pentru cel mai mic termen) sunt obținute prin diagonalizarea matricei (2L + 1)(2S + 1)-dimensionale. La temperatura zero (T = 0 K) este ocupată numai cea mai mică stare. Momentul magnetic la T = 0 K este egal cu momentul stării de bază. Permite evaluarea momentelor total, de spin și orbital. Stările și funcțiile proprii corespunzătoare n pot fi găsite din diagonalizarea directă a matricei hamiltoniene care conține câmpurile cristaline și interacțiunile spin-orbite. Luând în considerare populația termică a stărilor, este stabilită evoluția termică a proprietăților uni-ionice ale compusului. Această tehnică se bazează pe teoria operatorului echivalent definită drept câmpul electric cristalin lărgit prin calcule termodinamice și analitice definite ca supliment al teoriei câmpului electric cristalin prin includerea calculelor termodinamice și analitice.

Câmp electromagnetic oscilant

Rezonanța spinului dipolului electric este cuplarea spinului cu un câmp electric oscilant. Similar cu rezonanța spinului electronilor în care electronii pot fi excitați cu o undă electromagnetică cu energia dată de efectul Zeeman, în rezonanța spinului dipolului electric rezonanța poate fi atinsă dacă frecvența este legată de divizarea benzii energetice dată de cuplarea spin-orbită în solide. În timp ce în rezonanța spinului electronilor cuplajul se obține prin partea magnetică a undei electromagnetice cu momentul magnetic al electronului, rezonanța spinului dipolului electric este cuplarea părții electrice cu spinul și mișcarea electronilor. Acest mecanism a fost propus pentru controlul spinului electronilor în puncte cuantice și în alte sisteme mezoscopice.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *