Материал: Маслов ИНТРОДУЦТИОН ТО ПХЫСИЦС ОФ СЕЦОНД-ОРДЕР МАГНЕТИЦ 2015

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

namely

 

Ψ

0

=

+1,+1,+1

+1

+1,+1

,,↑ ↑ ↑,. The

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

" "

 

 

 

" "

slightest excitement will be

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+1,+1

 

,,↑ ↓ ↑,,

 

Ψ

1

=

+1,+1,+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

" "

 

 

 

" "

+1,

i k;

Therefore for the energy

E1 we obtain

i.e., σiz =

i = k.

1,

 

 

 

 

 

 

E1 = − 1

 

N

 

 

 

/ Jij σiz σjz

= −1 Jij σiz σjz =

 

 

2 i, j

 

2 i, j=1

 

 

 

 

 

 

ij

 

 

= −

1 Jij σiz σjz

1 J j σ zσjz

1 Ji

σizσ z =

 

2 ij

 

2 j

 

2 i

 

 

ij

+1

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

= −1

Jij

+ 1 J j + 1 Ji = − 1

Jij

1 J j

2 ij

2 j

2 i

2 ij

2 j

 

ij

 

 

 

ij

 

1 Ji + J j + Ji = − 1 / Jij + 2J j .

2 i

j

i

2 i, j

 

j

Finally, for the energy of the first excited state we find

E1 = E0 + 2θ.

(15.9)

(15.10)

Thus, the energy spectrum has the gap, i.e., the first excited level of energy is separated from the ground level by 2θ.

16. Free energy of a ferromagnet in the Ising model

Helmholtz free energy is defined as F = E TS , where E is the internal energy of the system and S is the entropy. Note that there is heat exchange with the environment (T = const ), the free energy must be

minimal. The internal energy can be described as E = Hˆ . Taking into

36

account

 

that

Hamiltonian

in

the

Ising

model

is

 

1

/

 

 

 

 

 

, for internal energy we obtain

 

H = −

 

 

Jij σiz σjz hσiz

 

 

2 i, j

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E = −

1

/

Jij

 

h

 

(16.1)

 

 

 

 

 

 

 

σiz σjz

σiz .

 

 

 

 

 

 

2 i, j

 

 

 

i

 

 

 

Considering the mean-field approximation (see § 11) we can rewrite the mean of the product as the product of the means σiz σjz σiz σjz .

Taking into account that σiz = x is the order parameter, we obtain for the internal energy

E = −

1 / Jij x2 hx = −1 x2

∑∑Jij xh1 =

 

 

2 i, j

 

i

2

i ji

i

(16.2)

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

= −

Nθ− xhN.

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Let us find the entropy

S = ln Γ , where

Γ is the number of possible

states of the system at a given temperature (here and after we omit the Boltzmann constant). Denote Nand Nas the number of magnetic

moments aligned along or against the selected axis z, respectively.

Therefore the total number

of magnetic moments is equal to

N = N+ N. The difference

NNdefines the total magnetic mo-

ment of the system, i.e., magnetization:

µB N+(−µB )N= µB (NN).

On the other hand, the total magnetic moment of the system can be de-

scribed as

 

 

N = xµB N . Thus, we can rewrite the order

µiz

N = µB σiz

parameter in the following form

NN

 

 

 

 

 

x =

.

(16.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

Actually, if N= N, then x = 0 , therefore the order is missing; on the

 

N

= N, N

= 0 x =1;

 

other hand, if

 

 

 

 

then the “apple-pie order”

 

 

= N, N

 

= N

x = −1,

 

N

 

 

 

 

 

 

 

37

is presented. Since x = x(T ), the difference NNdepends on tem-

perature as well. This fact imposes a limitation on Γ, i.e., the number of possible states of the system at a given temperature implies the number of possible states of the system at a given difference NN. Let us

find the Γ

Γ = CNN=

 

N !

 

=

N !

 

= CNN.

(16.4)

N

!(N N)!

N!N!

 

 

 

 

Taking into account the Stirling’s formula ln(n!)nln n n we obtain for the entropy

S = ln Γ = ln (N !)ln (N!)ln (N!)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N ln

 

 

 

 

 

 

Nln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= N

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

N

 

+ N

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(16.5)

ln

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

e

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= N

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

+ N

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

= N

N

 

 

 

 

N

 

 

 

N

 

N

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

+

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

N

 

 

 

N

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −N

N

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

N

 

 

N

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Express

 

N

 

 

 

and

N

 

by the order parameter x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

=

NN

 

=

 

N

N

=

 

N N

N

=12

N

.

(16.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

N

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

x

;

 

 

 

 

=

1+ x

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(16.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

N

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Finally, for the entropy we obtain

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S = −N

 

1+ x

ln

1+ x

+

1x

 

 

1x

 

 

 

 

 

 

(16.8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

ln

 

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

38

Note that at x = 0 (no order), S = N ln 2 , so, Γ = 2N – every magnetic moment has an arbitrary direction. Ultimately the Helmholtz free energy is described as

 

x2

 

1+ x

 

1+ x

 

1x

 

1x

(16.9)

F = N

 

θ− xh +T

 

ln

 

 

+T

 

ln

 

.

2

2

2

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

In general, we must include in the Eq. (16.9) the term F0 (T, H ), which

does not depend on the order parameter, i.e., it is not associated with magnetic subsystem, but includes phonon contribution, etc.

So, we obtained F = F (x,T, H ). Let us find F = F (T, H ). To do this, we should find x = x(T, H ) from the conditions of F = F (x,T, H )

minimum at T = const and H = const . So, let us find

F (x,T, H )

 

 

 

 

F0

(T, H )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

considering that

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F (x,T, H )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

1

+ x

 

T

 

1

x

 

 

 

 

 

= N xθ− h +

 

ln

 

 

 

ln

 

 

=

 

 

x

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

(16.10)

 

 

 

 

 

 

T

 

1

+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= N xθ− h +

2

ln

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

From the condition on the extremum F (x,T, H ) = 0 , we obtain

x

39

T

 

 

1+ x

= xθ+ h;

2

ln

 

 

 

1x

 

 

 

e

2

(xθ+h) =

1+ x

;

 

T

 

1x

 

 

 

 

 

 

 

 

(1x)e

2

(xθ+h) =1+ x;

 

 

 

 

T

 

 

 

2

(xθ+h)

 

 

 

 

2

(xθ+h)

 

(16.11)

eT

1

 

 

 

;

 

= x 1+ eT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(xθ+h)

x = eT2 (xθ+h) 1;

eT +1

x = tanh xθT+ h .

Finally, we obtain the Curie-Weiss equation for the order parameter. We already know that this equation for H = 0 and T > θ has only one solu-

tion

x = 0 , and for H = 0 and T < θ there are three solutions x = 0 ,

x > 0

and x < 0 , i.e.,

F (x,T, H )

= 0

at three different

x . To obtain

 

 

 

x

 

2 F (x,T )

 

the minimum, let us find the second derivative

(next, we as-

x2

 

 

 

 

 

 

sume that the magnetic field is zero). Recall that the condition on the

minimum is

2 F (x,T )

> 0

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 F (x,T )

 

 

T 1

x (1

x)+(1+ x)

 

 

 

= N

−θ+

 

 

 

 

(1x)2

 

=

 

x2

2 1

+ x

 

 

 

 

(16.12)

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= N

−θ+

 

 

 

.

 

 

 

 

 

1x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Let us check the results obtained. At T > θ we have only one solution

x = 0 , thus

2 F (x,T )

= N [−θ+T ]> 0 , therefore this is minimum. At

x2

 

 

40

Источник: https://studfile.net/preview/16708691/