改訂新版 世界大百科事典 「交換相互作用」の意味・わかりやすい解説
交換相互作用 (こうかんそうごさよう)
exchange interaction
物質の磁性を理解するための中心的な概念の一つ。ほとんどの場合，物質の磁気的性質は電子に由来する。さらに電子のスピン（電子の自転運動）がもつ磁気モーメントが磁性の担い手である場合が多い。この電子のスピンの向き（自転運動の軸）がそろうと，磁気モーメントの向きがそろい，強磁性が発現することになる。そのためには，スピンの向きをそろえるような力が二つのスピンの間に働かねばならない。この力が量子力学的に導かれる交換相互作用である。量子力学が誕生する前，1907年にP.ワイスは，個々の磁気モーメントに分子磁場と呼ぶ，その物質がもつ磁化に比例する磁場が働くとして，強磁性を説明することに成功した。しかし，その分子磁場が何に由来するかは28年のW.ハイゼンベルクの論文に待たねばならなかった。ハイゼンベルクは今日もなお，原子に局在する電子が磁性を担う系に対して用いられるハイゼンベルク模型を提案し，分子磁場が交換相互作用に由来することを明らかにした。物質の磁性は古典力学では説明できず，量子力学を待たねばならないが，この交換相互作用もその典型的な例の一つである。
電子はフェルミ粒子であり，パウリの原理に従う。量子力学では同種粒子は区別できないことになっており，固体中に無数に含まれている電子の全体の状態を考えたとき，任意の二つの電子を入れかえた状態も，同等の重みで含まれている。このような交換に対する性質から導かれるクーロン相互作用に基づくエネルギーが交換相互作用である。鉄族遷移金属の化合物などのように，磁性を担う電子が各磁性原子に局在している局在磁性電子系についての磁性の研究は第2次世界大戦後おおいに進み，交換相互作用についても詳しい研究がなされた。上に説明をした直接交換相互作用と呼ばれるもののほかに，超交換相互作用，間接交換相互作用と名付けられる，もっと複雑なものが実際に働いていることが明らかにされた。これらの複雑な交換相互作用の中には二つのスピンの向きを反平行にする力を与えるものがあり，すべてのスピンの向きがそろっている強磁性に対して，磁性原子の上の電子のスピンの向きが結晶格子に沿って互い違いに変わるような磁性が発現することが示された。このように磁性原子のスピンの向きが結晶格子に沿って規則的に変わるような磁性を反強磁性という。一方，もっともありふれた強磁性体である鉄，コバルト，ニッケルなどを含む金属強磁性体では，これらの物質の磁性を担う電子（d電子）は局在しておらず，自由に動き回る状態（遍歴電子状態）にあると考えられている。このような電子の状態に対しても上述のような電子の交換に関する性質から導かれるクーロン相互作用に基づく交換相互作用が重要な役割を演ずる。これらの金属強磁体の研究は磁性研究の中でも古い歴史をもち，近年その磁性の本質の理解も進んだが，なお将来の発展を待つ部分も多い。
→磁性
執筆者：吉森 昭夫
出典 株式会社平凡社「改訂新版 世界大百科事典」改訂新版 世界大百科事典について 情報