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

 

 

 

 

 

 

i≠ j

 

 

= −

1 ∑Jij σiz σjz

− 1 ∑J j σ zσjz −

1 ∑Ji

σizσ z =

 

2 i≠ j

 

2 j≠

 

2 i≠

 

 

ij≠≠

+1

 

−1

 

−1

 

 

 

 

 

 

= −1

∑Jij

+ 1 ∑J j + 1 ∑Ji = − 1

∑Jij −

1 ∑J j −

2 i≠ j

2 j≠

2 i≠

2 i≠ j

2 j≠

 

ij≠≠

 

 

 

ij≠≠

 

− 1 ∑Ji + ∑J j + ∑Ji = − 1 ∑/ Jij + 2∑J 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 − h∑σiz

 

 

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 − h∑x = −1 x2

∑∑Jij − xh∑1 =

 

 

2 i, j

 

i

2

i j≠i

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 N↑ and N↓ as 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

N↑ − N↓ defines the total magnetic mo-

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

µB N↑ +(−µB )N↓ = µB (N↑ − N↓ ).

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

N↑ − N↓

 

 

 

 

 

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 N↑ − N↓ depends 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 N↑ − N↓ . 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

 

 

 

 

 

 

−

N↑ ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− N↓ ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

=

N↑ − N↓

 

=

 

N↑

−

N↓

=

 

N − N↓

−

N↓

=1− 2

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

+

1− x

 

 

1− x

 

 

 

 

 

 

(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

 

1− x

 

1− x

(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

 

 

 

1− x

 

 

 

e

2

(xθ+h) =

1+ x

;

 

T

 

1− x

 

 

 

 

 

 

 

 

(1− x)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+

 

 

 

 

(1− x)2

 

=

 

∂x2

2 1

+ x

 

 

 

 

(16.12)

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= N

−θ+

 

 

 

.

 

 

 

 

 

1− x

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/