שחלוף על

[ממוזער|איור 1: סופר שחלוף של [מנגן|MnO]]
**שחלוף על**, הנקרא גם **שחלוף על של קרמרס-אנדרסון**, או **סופר שחלוף**, הוא אפקט מכני קוונטי הפועל בין חלקיקים זהים באופן לא ישיר. אינטראקציה זאת מוגדרת גם כצימוד (בדרך כלל אנטי פרומגנטי) בין 2 קטיונים שכנים דרך אניון לא מגנטי, והיא שונה מאינטראקציית שחלוף ישיר, שבה יש צימוד בין קטיונים שכנים ללא אניון מתווך.

שחלוף על הוא התוצאה של צימוד בין ספינים של אטומים תורמים לבין ספינים של אטום מקבל.

אם שני קטיונים שכנים שניים קרובים ביותר, מחוברים ב-90 מעלות דרך גשר של אניון לא מגנטי. אז האינטראקציה ביניהם יכולה להיות פרומגנטית.

**סופר שחלוף** התגלה לראשונה על ידי הנדריק קרמרס בשנת 1934, כאשר הבחין שבגבישים כמו מנגן חמצני, קיימת אינטראקציה מגנטית בין יוני המנגן למרות יוני החמצן הלא מגנטיים המפרידים ביניהם (איור 1). פיליפ אנדרסון ליטש את המודל של קרמרס, מאוחר יותר, ב-1950.

## חוקי גודאינף - קאנאמורי
בשנות החמישים של המאה ה-20, פיתחו ג'ון גודאינף וג'ונג'ירו קאנאמורי סט של כללים חצי אמפיריים. כללים אלה, המכונים **חוקי גודאינף - קאנאמורי**, הצליחו לקבוע את התכונות המגנטיות של מגוון רחב של חומרים, ברמה איכותית. הם מבוססים על יחסי סימטריה בין הספינים של האלקטרונים באורביטלים האטומיים החופפים (בהנחת מודל של אלקטרונים קשורים כמודל הייטלר-לונדון (תאוריית הקשר הערכי), מודל המייצג את הקשר הכימי טוב יותר מאשר מודל אלקטרונים לא קשורים כמודל הונד-מליקן-בלוך).

הכללים הם: 
# עיקרון האיסור של פאולי מכתיב כי בין שני יונים מגנטיים עם אורביטלים מאוכלסים למחצה, שמצומדים באמצעות יון מתווך שאינו מגנטי (למשל 2-O), אינטראקציית שחלוף העל תהיה אנטי-פרומגנטית (חזקה).
# בצימוד (בעזרת יון מתווך) בין יון מגנטי עם אורביטל מלא ויון מגנטי עם אורביטל מאוכלס למחצה, אינטראקציית שחלוף העל תהיה פרומגנטית.
# הצימוד בין יון מגנטי עם אורביטל מלא או מאוכלס למחצה לבין יון מגנטי עם אורביטל ריק יכול להיות אנטי-פרומגנטי או פרומגנטי, אבל בדרך כלל הוא פרומגנטי.
# כאשר אינטראקציות מסוגים שונים פועלות בו-זמנית, בדרך כלל האנטי-פרומגנטית דומיננטית יותר שכן היא אינה תלויה באינטגרל השחלוף הפנים אטומי. 
במקרים פשוטים, חוקי גודאינף - קאנאמורי מאפשרים חיזוי של תמונת המגנטיזציה המתקבלת מאינטראקציות השחלוף הפועלות בין כל 2 יונים המצומדים בשחלוף על.

סיבוכים מתחילים להתעורר במצבים שונים:
# כאשר מנגנוני שחלוף ישיר ושחלוף לא ישיר פועלים בו זמנית ומשפיעים זה על זה.
# כאשר זווית הקשר קטיון-אניון-קטיון גדולה מ-180 מעלות. 
# כאשר אכלוס האלקטרונים באורביטלים האטומיים הוא לא סטטי, אלא דינמי. 
# כאשר אינטראקציית ספין מסלול הופכת להיות חשובה.

## ההמילטוניאן
בדומה לשחלוף ישיר, גם בשחלוף על ההמילטוניאן הוא הכללה של המילטוניאן הייזנברג והסכום נעשה עבור שחלוף של כל זוג אלקטרונים/ספינים (i,j) של מערכת רב אלקטרונית:
:: \mathcal{H}_{Heis} = \frac{1}{2}(-2J\sum_{i,j} \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j) = -\sum_{i,j}J \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j\quad(1) 

כאשר, גורם ה - \frac{1}{2} במשוואה נובע מכך שהאינטראקציה בין אותם שני ספינים נספרת פעמיים בביצוע הסכומים ו - J הוא קבוע השחלוף.
## שחלוף כפול

[ממוזער|300x300px|[קליפת אלקטרונים|תת הקליפות האלקטרוניות *1*'s**,2**p**,3**d**,4**f***.]]
שחלוף כפול היא אינטראקציה מגנטית דומה שהוצעה על ידי [[קלרנס זנר]] כדי להסביר תכונות [[הולכה חשמלית|הולכה חשמליות.]] ההבדל בינה לבין שחלוף על ניתן להצגה באופן הבא: 
* בשחלוף על, המודל הוא של אלקטרונים קשורים לאטום כ[[תאוריית הקשר הערכי|מודל הייטלר-לונדון]] (תאוריית הקשר הערכי). האלקטרונים '''לא עוברים''' בין ה[[קטיון|קטיונים]] ה[[מגנטיות|מגנטיים]]. בדרך כלל, [[קליפת אלקטרונים|קליפות האלקטרונים]] בהן פועלת האינטראקציה מאוכלסות במספר זהה או שונה ב-2 . 
* בשחלוף כפול, המודל הוא של אלקטרונים איטינרנטים - נודדים (לא קשורים לאטום) כ[[משפט בלוך|מודל הונד-מליקן-בלוך]]. האלקטרונים '''עוברים''' בין ה[[קטיון|קטיונים]] ה[[מגנטיות|מגנטיים]] באמצעות [[אניון]] הביניים (לדוגמה [[חמצן]]). אינטראקציה זו קיימת בתרכובות המכילות חומרים כגון: [[ברזל]], [[ניקל]], [[קובלט]] וגורמת גם ל[[הולכה חשמלית]].
באופן כללי, האלקטרונים בפסי הערכיות או ב[[קליפת אלקטרונים|תת הקליפות האלקטרוניות]] ***s*** ו - ***p*** נחשבים ללא קשורים או איטינרנטים - נודדים, האלקטרונים ב[[קליפת אלקטרונים|תת הקליפה האלקטרונית]] ***4f* *'נחשבים כקשורים או ממוקמים ואילו האלקטרונים בתת-הקליפות** ''5f 3d/4d*** נחשבים כמצב ביניים בין קשורים ללא קשורים, בהתאם למרחקים פנים גרעיניים מסוימים. עבור [[תרכובת|תרכובות]] שבהן גם אלקטרונים הנחשבים קשורים וגם אלקטרונים הנחשבים איטינרנטים - נודדים, תורמים לתכונות ה[[מגנטיות]], כגון [[אירופיום]] [[חמצן|חמצני]], [[מודל RKKY]] הוא המנגנון המקובל החל מ[[המאה ה-20|סוף המאה ה-20]].

== יישומים בספינטרוניקה ==

הפיתוח בתחום ה[[ספינטרוניקה]] הוביל לעניין מחודש ב[[חצאי מוליכים]] [[פרומגנטיות|פרומגנטיים]] השייכים לקבוצת ה[[יסודות נדירים|יסודות הנדירים]] (הנמצאים בעיקר בקרום כדור הארץ ומכאן שמם "rare - earth") כגון תרכובות [[אירופיום]], במיוחד [[אירופיום|אירופיום חמצני]] (EuO).

[[אירופיום|אירופיום חמצני]] [[סטויכיומטריה|סטויכיומטרי]] (EuO) נחשב כ[[מודל הייזנברג (קלאסי)|פרומגנט הייזנברג]] אופייני עם [[טמפרטורת קירי]] (*TC*) של *'69.8 K **. עבור השימוש של חומר זה ביישומי ספינטרוניקה יש להגדיל את ''T<sub id="mwwA">C</sub>''על ידי ייצור [[נושא מטען|נושאי מטען]] נוספים ב[[פס ההולכה]]. ייצור זה, שיכול להיות מושג על ידי [[זיהום מוליך למחצה|זיהום]] החומר או על ידי שימוש באירופיום חמצני עם חוסרי חמצן, מוסיף אינטראקציית שחלוף לא ישירה (**שחלוף על''') בין הספינים המקומיים. החל משנת 2000 נעשו מספר מחקרים תאורטיים (המשתמשים בעיקר במודל RKKY לחישוב המגנטיזציה) ונערכו מספר ניסויי מעבדה בנושא זה.

## ראו גם
* עקרון האיסור של פאולי
* מודל הייזנברג (קלאסי)
* מודל הובארד
* שחלוף ישיר
* ספינטרוניקה
* מודל RKKY 
* שחלוף כפול

## קישורים חיצוניים
* Exchange Mechanisms

## הערות שוליים

קטגוריה:מגנטיות
קטגוריה:פיזיקה סטטיסטית
קטגוריה:פיזיקה של חומר מעובה