Issue
J. Phys. Radium
Volume 23, Number 8-9, août-septembre 1962
Page(s) 510 - 521
DOI https://doi.org/10.1051/jphysrad:01962002308-9051001
J. Phys. Radium 23, 510-521 (1962)
DOI: 10.1051/jphysrad:01962002308-9051001

Interactions indirectes entre couches 4f dans les métaux de terres rares

P.G. De Gennes

Faculté des Sciences d'Orsay, Seine-et-Oise, France


Abstract
The rare earth metals can be described as an assembly of ions (usually 3+) with incomplete 4f shell, embedded in a sea of conduction electrons. The dominant coupling between the ions and electrons is of the form - Γ S. Se where S is the spin of the ion and Se that of the conduction electron. This results in an indirect ion-ion interaction via the conduction electrons which has a long range and alternates in sign. Thus one may understand the existence of helical (or sinusoidal) spin configurations and the ferro-antiferromagnetic transitions observed in most of the metals. In order to explain the strong variation of the pitch of the helices with temperature, one must probably take into account the short, température dependant, mean free path of the conduction electrons in the calculation of the indirect interaction. A number of experiments furnishing independent information about the couplings contant r are also discussed. In absolute value, |Γ| ˜ 0.1 eV, in all the yttrium series. The sign is ambiguous, both experimentally and theoretically. r includes a ferromagnetic contribution due to s-f exchange, and also an antiferromagnetic virtual level effect. In order to explain the constancy of |Γ| in the heavy rare earth metals one must assume 1) that the Hartree field experienced by the 4f electrons is nearly constant over the series, 2) that the ff coulomb integrals are much larger than the exchange integrals.


Résumé
Résnmé. - Les métaux de terres rares peuvent être décrits comme une assemblée d'ions (en général 3+) à couche 4f incomplète immergés dans une mer d'électrons de conduction. Le couplage dominant entré ions et électrons est de la forme - Γ S. Se où S est le spin de l'ion, Se celui de l'électron. Il en résulte une interaction ion-ion indirecte (via les électrons de conduction) à longue portée et à signe alternant. Ceci permet de comprendre l'existence de configurations hélicoïdales (ou sinusoïdales) de spin et la facilité des transitions ferro-antiferromagnétiques observées dans la plupart des métaux. Pour expliquer la forte variation de pas des hélices avec la température, on doit probablement tenir compte du libre parcours moyen fini des électrons dans le calcul des interactions indirectes. On dispose d'autre part, d'un grand nombre d'expériences fournissant des informations indépendantes sur la constante de couplage Γ. En valeur absolue |Γ| ˜ 0,1 eV dans toute la série yttrique. Γ comprend une contribution d'échange sf(ferromagnétique) et aussi un terme antiferromagnétique (effet de niveau lié virtuel). Pour expliquer la constante de |Γ| dans la série yttrique on doit supposer que : 1) le champ de Hartree vu par les électrons 4f est à peu près constant dans la série ; 2) les intégrales de coulomb ff sont beaucoup plus forte que les intégrales d'échange.

PACS
7120E - Rare earth metals and alloys.

Key words
energy states -- ferromagnetism -- magnetism -- rare earth metals -- solid theory