Sự truyền đồng thời điện tử từ một ion kim loại tới ion oxy và một điện tử từ ion oxy sang một ion kim loại lân cận gọi là trao đổi kép và tương tác giữa hai ion như vậy gọi là “tương tác trao đổi kép” [28,29,79]. Mô hình này được minh họa trên hình 1.8.
Hình 1.8. trình bày mô hình ví dụ về cơ chế trao đổi kép DE của các ion Mn, hai trạng thái Mn3+ O2Mn4+ vàO2Mn3+ là hai trạng thái suy biến cấu hình tương tác nếu các spin của các ion này song song. Khi đó điện tử eg của Mn3+ có thể nhảy sang quỹ đạo p của ôxy đồng thời một điện tử trong quỹ đạo p của ôxy nhảy sang quỹ đạo e
Hình 1.7. (a) Sự xen phủ điện tử eg trên quĩ đạo 2 2
x y d
với quĩ đạo p của nguyên tử oxy,
(b) Sự xen phủ điện tử eg trên quĩ đạo dz2 với quĩ đạo p của nguyên tử oxy.
(c) Sự chuyển điện tử từ ion O2sang ion Mn3+ trong tương tác SE [84]. (a)
(b)
của ion Mn4+. Điều kiện cần để xảy ra quá trình truyền điện tử là cấu hình song song của spin lõi của các ion Mn lân cận và song song với spin của điện tử dẫn eg do liên kết Hund mạnh.
Để giải thích hiện tượng này, Zener 84 đã đưa ra mô hình tương tác trao đổi kép (double exchangeDE) cho phép giải thích một cách cơ bản các tính chất từ, tính chất dẫn và mối quan hệ giữa chúng trong hầu hết các manganite. Zener cho rằng:
1. Liên kết Hund nội nguyên tử rất mạnh, do vậy spin của mỗi hạt tải song song với spin định xứ của ion.
2. Các hạt tải không thay đổi hướng spin của chúng khi chuyển động, chúng có thể nhảy từ một ion này sang một ion lân cận chỉ khi spin của hai ion là song song. 3. Khi quá trình nhảy xảy ra, năng lượng của các trạng thái cơ bản sẽ thấp đi.
Lý thuyết Zener được áp dụng để giải thích sự liên quan mạnh mẽ giữa hiện tượng từ và hiện tượng dẫn điện trong các hợp chất Mangan. Ion Mn4+ có khả năng bắt điện tử từ ion ôxy khi có một điện tử nhảy từ ion Mn3+ lân cận sang ion oxy. Sau khi bắt một điện tử ion Mn4+ trở thành ion Mn3+, ion Mn3+ mới được hình thành này lại truyền một điện tử cho ion oxy lân cận và quá trình cứ tiếp tục diễn ra. Như vậy về nguyên tắc các điện tử tham gia vào quá trình truyền này có thể di chuyển đến khắp
Hình 1.8:Mô hình cơ chế tương tác trao đổi kép của chuỗi
mọi nơi trong mạng tinh thể, hay nói cách khác là chúng đã thực sự trở thành những điện tử tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện. Khi không có mặt của điện trường ngoài sự truyền điện tử này có thể là ngẫu nhiên theo các hướng khác nhau. Nhưng khi có mặt của điện trường ngoài thì sự truyền điện tử này được ưu tiên theo phương của điện trường và do vậy tạo thành dòng điện. Quá trình truyền điện tử trong tương tác siêu trao đổi chỉ là ảo, quá trình trao đổi thực chất là sự lai hoá giữa các quỹ đạo và các điện tử vẫn định xứ trên các quỹ đạo. Còn trong tương tác trao đổi kép lại có sự truyền thực sự các điện tử từ quỹđạo eg của ion kim loại này sang quỹ đạo eg của ion kim loại lân cận. Vì vậy tương tác trao đổi kép có liên quan trực tiếp tới tính chất dẫn của vật liệu mà cụ thể là làm tăng tính dẫn của vật liệu. Tương tác SE có thể là sắt từ hoặc phản sắt từ nhưng tương tác DE chỉ có thể là sắt từ. Đó là cơ sở để giải thích các tính chất từ và tính chất dẫn của vật liệu perovskite sau này.