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/ NetNews Usenet Archive 1992 #26 / NN_1992_26.iso / spool / sci / physics / 18744 < prev    next >
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Text File  |  1992-11-11  |  3.3 KB  |  69 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!europa.asd.contel.com!darwin.sura.net!haven.umd.edu!decuac!pa.dec.com!decwrl!wsrcc!alison
  3. From: alison@wsrcc.com (Alison Chaiken)
  4. Subject: ferromagnetism: the QM basis
  5. Message-ID: <BxL9xq.EHJ@wsrcc.com>
  6. Organization: W S Rupprecht Computer Consulting, Fremont CA
  7. References: <COLUMBUS.92Nov11135327@strident.think.com>
  8. Date: Thu, 12 Nov 1992 05:58:37 GMT
  9. Lines: 58
  10.  
  11. columbus@strident.think.com (Michael Weiss) writes:
  12. >>Alison Chaiken writes:
  13. >>(This is really an indirect
  14. >>manifestation of the Coulomb repulsion between like charges.)
  15. >I don't understand the parenthetical remark.  The exclusion
  16. >principle applies even to uncharged fermions, no?
  17.  
  18. I guess you were looking for a more detailed answer ;-).  The simplest
  19. details that I know come from the Hartree-Fock theory, which is the
  20. zeroth-order many-body theory of electrons in solids (or atoms).
  21. Here's how one derives the Hartree-Fock equations for the electron
  22. energies: First, form a wavefunction called a Slater determinant which
  23. guarantees that the Exclusion Principle will be satisfied (by taking
  24. linear combinations of single-particle states which change sign when
  25. particles are exchanged).  Next, take the <psi/H/psi> product to
  26. evaluate the energies, where H, the Hamiltonian, involves kinetic and
  27. Coulomb potential energies.  Because of the form of the Slater
  28. determinant, there are TWO types of terms with coefficient e^^2, where
  29. e is the electronic charge.  One is the simple repulsion of an
  30. individual electron to all the others.  The other term is called the
  31. exchange energy because it involves an integral over products like
  32. (a_up b_down -- b_up a_down), where a and b are single-particle
  33. wavefunctions and up, down refer to spin direction.  This exchange
  34. energy is the fundamental origin of the itinerant electron
  35. ferromagnetism of transition metals like Fe, Ni, Co.  It is not a
  36. concocted toy model like the Ising model; it comes from fundamental
  37. QM.
  38.  
  39. >I wrote:
  40. >    The converse of the preceding statement is that if you have a low-density
  41. >    electron gas, there is an effective net force aligning the spins.
  42.  
  43. >>Is there a rough-and-ready intuitive explanation for this effect?  Naively,
  44. >>it would seem that the exclusion principle would tend to *anti-align*
  45. >>spins.
  46.  
  47. That IS the rough-and-ready explanation; the other explanation I know
  48. requires equations.  Exclusion does anti-align spins if they can be
  49. put in the same energy level.  However, you get Hund's rules (of
  50. atomic energy level filling) wrong if you ignore exchange energy; it's
  51. an experimental fact.  I think that exchange energy is one of those QM
  52. concepts that is not particularly intuitive; I view it as an
  53. expression of the delocalization of electrons.
  54.  
  55. >Obviously this line of thought is too naive.  Is there a qualitative
  56. >explanation that shows how Pauli exclusion --> aligned spins?
  57.  
  58. Sorry if you think this is too naive, but further discussion may be
  59. beyond the scope of this newsgroup.  I would suggest that you look at
  60. a QM textbook like _Intermediate QM_ by Bethe and Jackiw under
  61. "Hartree-Fock" for more details about exchange energy.  If you want a
  62. really detailed reference specifically about FM in Fe, I can dredge
  63. one up.  Neville Mott's papers about FM are the best.
  64. -- 
  65. Alison Chaiken                 alison@wsrcc.com
  66. (510) 422-7129 [daytime]         or chaiken@cmsgee.llnl.gov
  67. Look if you like, but you will have to leap.
  68.  
  69.