2.2.2.Диполь – дипольное взаимодействие (спин-спиновое)

Диполь-дипольное (или спин-спиновое взаимодействие) — это прямое взаимодействие спиновых магнитных моментов электронов, пропорциональное (v/c) 2 (v – скорость электрона, с – скорость света), это взаимодействие слишком слабо, чтобы играть какую-то роль в полупроводниках. Его величина составляет примерно 1 К для пары электронов на соседних узлах кристаллической решетки.

Именно слабость спин-спинового взаимодействия играет большую роль в полезных свойствах некоторых магнитных полупроводников. В разбавленных магнитных полупроводниках роль прямого спин-спинового взаимодействия ослабевает настолько, что их намагниченность можно легко изменять экспериментально достижимыми внешними магнитными полями. Сравнительно слабые магнитные поля влияют на характеристики разбавленных магнитных полупроводников сильнее, чем на параметры традиционных магнитных полупроводников.

2.2.3.Спин-орбитальное взаимодействие

Спин-орбитальное взаимодействие — это взаимодействие спинового магнитного момента электрона с магнитным моментом его собственного орбитального движения. Причина спин-орбитального взаимодействия в том, что электрон, движущийся со скоростью v в электрическом поле напряженности E , «видит» магнитное поле с магнитной индукцией. В таком магнитном поле электрон с магнитным моментом обладает дополнительной энергией спин-орбитального взаимодействия (λ – константа спин-орбитального взаимодействия).

Вследствие спин-орбитального взаимодействия на спин движущегося электрона или дырки могут действовать и статическое, и переменное внешние электрические поля.

Спин-орбитальное взаимодействие усиливается с увеличением заряда ядра; его энергия равна 0.04 и 0.29 эВ в полупроводниках Si и Ge. Зачастую это взаимодействие отвечает за релаксацию спинов и обеспечивает взаимозависимость переноса (транспорта) носителей тока и явлений, связанных со спином. Спин-орбитальное взаимодействие «связывает» спиновые и пространственные координаты электрона и ведет к появлению эффективного внутрикристаллического магнитного поля (поле магнитной анизотропии), так как орбитальное движение частицы связано с кристаллографическими направлениями.

2.2.4.Обменное взаимодействие

Обменное взаимодействие – это часть кулоновского взаимодействия между электронами, зависящая от перестановки двух электронов. Такая зависимая от взаимной ориентации спинов «квантовая сила» возникает из-за разных орбитальных движений пары электронов, которые имеют тенденцию к образованию электронных конфигураций либо с отдаленными электронами, когда вероятность нахождения обоих электронов вблизи друг друга мала, либо со сближенными электронами, когда эта вероятность велика. При этом суммарный спин электронной пары, оказывается равным либо 1 (спиновый триплет), либо 0 (спиновый синглет).

Обменная энергия (интеграл) J представляет собой полуразность энергий двух этих электронных конфигураций. Причем образование не скомпенсированного магнитного момента облегчается при малой плотности электронов проводимости и малой степени ковалентности связи. Для ковалентного связывания энергетически выгодно орбитальное движение электронов с максимальной их плотностью между положительно заряженными ядрами, J < 0, так что ковалентная связь дает спиновый синглет. С возрастанием ковалентности связи в ряду анионов F ^- , O^2- , S^2- , Se^2- для М³⁺—An—М³⁺ и М⁴⁺—An—М^;+ (An – анион) обменный интеграл J растет.

Взаимная ориентация спинов и, в конечном счете, ферромагнетизм (появление спонтанной намагниченности при температуре ниже температуры Кюри вследствие упорядочения магнитных моментов, при котором большая их часть параллельна друг другу) определяются обменным взаимодействием атомов примесного металла Mn +, которое, однако, не определяет направление суммарного спина относительно кристаллографических осей.

В полупроводниках прямое обменное взаимодействие между делокализованными электронами или дырками не играет большой роли из-за их малой плотности и резкого (экспоненциального) ослабления обменного взаимодействия с расстоянием. Исключение составляют некоторые концентрированные магнитные полупроводники с весьма низкими температурами Кюри и границы раздела полупроводник – ферромагнетик, существенные для явлений спиновой инжекции. Для магнитных полупроводников иногда феноменологически вводят обменное взаимодействие локализованных d- или f- электронов с электронами проводимости (sd) взаимодействие, характеризуемое параметром обмена Jsd или валентными дырками (pd) взаимодействие с параметром обмена Jpd. Из-за особенностей распределения электронной плотности в энергетических зонах полупроводников электроны движутся по магнитным катионам, тогда как дырки – по немагнитным анионам; поэтому ферромагнитный обмен локализованных электронов с электронами проводимости должен превышать их антиферромагнитное обменное взаимодействие с дырками в валентной зоне: Jsd > |Jpd|.