Techniklexikon

itineranter Austausch

Festkörperphysik, Wechselwirkung zwischen Leitungselektronen, die zu ferromagnetischer oder antiferromagnetischer Ordnung der Elektronenspins in Metallen führt (Bandmagnetismus). Die Ursache ist die Coulomb-Wechselwirkung unter Berücksichtigung des Pauli-Prinzips (Austausch). Bei Parallelstellung der Spins ist zwar wegen des Paulischen Eindeutigkeits-Prinzips die elektrostatische Abstossungsenergie der Elektronen vermindert, sie müssen aber in höhere, unbesetzte Energieniveaus oberhalb der Fermi-Kante (Fermi-Energie) angehoben werden, da die tieferen Nivaus schon von Elektronen gleicher Spinrichtung besetzt sind. Der Abstand der Energieniveaus (Zustandsdichte) hängt vom Abstand der Atome ab. Bei sehr kleinen Atomabständen ist die Aufspaltung der Energieniveaus zu gross, so dass der Energiegewinn durch Parallelstellung nicht zu einer Umverteilung der Elektronen in höhere Niveaus ausreicht und damit eine antiferromagnetische Ordnung bevorzugt ist. Eine ferromagnetische Ordnung der Spins ist nur bei bestimmten interatomaren Abständen möglich, wie in der Bethe-Slater-Kurve (siehe Abb.) dargestellt ist. Im Grenzfall unendlich grosser Abstände besteht keine Wechselwirkung.

itineranter Austausch: Bethe-Slater Kurve zum itineranten Austausch: Sie stellt die Energiedifferenz zwischen dem spontan magnetisierten und dem unmagnetisierten Zustand (Austauschintegral J) als Funktion des Quotienten aus der Gitterkonstanten dividiert durch den Radius der unabgeschlossenen Schale dar. Je nach Lage des Metalls oder der Metallegierung auf der Kurve ist J positiv oder negativ, so dass das Material sich ferromagnetisch bzw. antiferromagnetisch verhält. Die Kristallstruktur der verschiedenen Materialien ist jeweils in Klammern angegeben: kfz: kubisch-flächenzentriert, krz: kubisch-raumzentriert, hdp: hexagonal dichteste Packung, tfz: tetragonal-flächenzentriert.