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/ NetNews Usenet Archive 1992 #26 / NN_1992_26.iso / spool / sci / physics / 18810 < prev    next >
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Text File  |  1992-11-13  |  3.5 KB  |  71 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!news.centerline.com!noc.near.net!news.Brown.EDU!qt.cs.utexas.edu!cs.utexas.edu!wupost!darwin.sura.net!haven.umd.edu!decuac!pa.dec.com!decwrl!wsrcc!alison
  3. From: alison@wsrcc.com (Alison Chaiken)
  4. Subject: Re: ferromagnetism: the QM basis
  5. Message-ID: <Bxn6tn.JK@wsrcc.com>
  6. Organization: W S Rupprecht Computer Consulting, Fremont CA
  7. References: <COLUMBUS.92Nov11135327@strident.think.com> <BxL9xq.EHJ@wsrcc.com> <COLUMBUS.92Nov12150158@strident.think.com>
  8. Date: Fri, 13 Nov 1992 06:46:34 GMT
  9. Lines: 60
  10.  
  11. columbus@strident.think.com (Michael Weiss) writes:
  12. >1) The exchange energy is not simply another name for the Pauli
  13. >    exclusion principle.  (Would it be correct to say it is due to
  14. >    the need to treat an ensemble of electrons with Fermi-Dirac
  15. >    statistics rather than Boltzman statistics?)
  16.  
  17. Yes, this is the essential point!  The exchange energy is an
  18. electrostatic repulsion energy which comes about because of the
  19. existence of electron spin.  This is hard to comprehend because spin
  20. is a purely quantum phenomenon with no classical analog.  There is no
  21. exchange energy or ferromagnetism in classical physics, which is why
  22. it's hard to explain them simply.
  23.  
  24. >2)  The exchange energy affects the way electrons fill up energy levels in a
  25. >    solid, again modifying classical expectations.  For iron, it turns out
  26. >    the minimum energy configuration is with the electon "gas" having aligned
  27. >    spins, and the bound electrons having spins aligned too, but aligned
  28. >    opposite to the free electrons.
  29.  
  30. This is essentially right.  The simplest way to see the existence of
  31. the different energies is to look at the sequence of level fillings as
  32. you move through the periodic table.  Why for example is Cu 3d9 4s1,
  33. not 3d10 4s0?  You have to go beyond the bare exclusion principle and
  34. consider exchange to explain this.
  35.  
  36. >3)  There is no simple qualitative explanation of why iron should have this
  37. >    sort of minimum energy state, while copper, for instance, doesn't.
  38.  
  39. Actually, there is a simple answer.  The highest occupied levels of Cu
  40. consist of mixed s and d electron states with a low electron mass.
  41. That's why Cu is highly conductive!  Simple math shows that low mass
  42. => low density-of-states (DOS).  Fe on the other hand has no s charge
  43. carriers, but has several massive partially occupied d electron bands.
  44. This is part of why Fe is a poorer conductor than Cu.  Because the d
  45. bands are flat, Fe has a high DOS.
  46.  
  47. When a system undergoes an ordering, symmetry-breaking transition, an
  48. energy gap is typically opened up at the top of the spectrum.    The
  49. system undergoes the transition because it lowers its total energy by
  50. an amount
  51.  
  52.     condensation energy = (DOS) * gap
  53.  
  54. This equation is just integrating under the DOS vs energy curve.
  55. Basically it says that (energy gained in transition) = (number of
  56. participating particles)*(energy/particle).   Since Cu has a low DOS,
  57. its condensation energy for ferromagnetism (or superconductivity or
  58. charge-density waves or . . .) would be very low.   Fe, on the other
  59. hand, can significantly lower its energy by opening up an exchange gap
  60. at the Fermi energy.    We see that poorly conducting metals are
  61. likely to exhibit many interesting phase transitions, a hypothesis
  62. which is borne out by experiments.
  63.  
  64. By the way, Dr. Baez, I'm a solid-state experimentalist, not a
  65. theorist.  I have to be careful because real theorists are watching.
  66. -- 
  67. Alison Chaiken                 alison@wsrcc.com
  68. (510) 422-7129 [daytime]         or chaiken@cmsgee.llnl.gov
  69. Look if you like, but you will have to leap.
  70.  
  71.