Korelasyon fonksiyonu (istatistiksel mekanik) - Correlation function (statistical mechanics)

Hem yukarıda hem de aşağıda ferromanyetik ve antiferromanyetik malzemeler için şematik eşit zamanlı spin korelasyon fonksiyonları korelasyon uzunluğu ile normalize edilen mesafeye karşı, . Her durumda, korelasyonlar orijine en yakın olanıdır, bu da bir dönüşün en yakın komşuları üzerinde en güçlü etkiye sahip olduğunu gösterir. Başlangıç ​​noktasında spinden uzaklık arttıkça tüm korelasyonlar kademeli olarak azalır. Curie sıcaklığının üzerinde, dönüşler arasındaki mesafe çok büyüdükçe dönüşler arasındaki korelasyon sıfırlanma eğilimindedir. Aksine, aşağıda , dönüşler arasındaki korelasyon büyük mesafelerde sıfıra doğru eğilim göstermez, bunun yerine sistemin uzun menzilli düzeniyle tutarlı bir seviyeye düşer. Mikroskobik rasgele değişkenler arasındaki korelasyonların büyük mesafelerde sıfıra karşı sıfır olmadığı bu bozunma davranışlarındaki fark, kısa ve uzun menzilli düzeni tanımlamanın bir yoludur.

İçinde Istatistik mekaniği, korelasyon işlevi matematiksel olarak karakterize edildiği gibi, bir sistemdeki sıranın bir ölçüsüdür korelasyon işlevi. Korelasyon fonksiyonları, farklı pozisyonlarda spin ve yoğunluk gibi mikroskobik değişkenlerin nasıl ilişkili olduğunu açıklar. Daha spesifik olarak, korelasyon fonksiyonları, mikroskobik değişkenlerin uzay ve zaman boyunca ortalama olarak birbirleriyle nasıl birlikte değiştiğini ölçer. Bu tür uzamsal korelasyonların klasik bir örneği, dönüşlerin sırasıyla en yakın komşularıyla paralel ve antiparalel olarak hizalamayı tercih ettiği ferro- ve antiferromanyetik malzemelerdedir. Bu tür malzemelerdeki spinler arasındaki uzamsal korelasyon, sağdaki şekilde gösterilmektedir.

Tanımlar

Bir korelasyon işlevinin en yaygın tanımı, kanonik topluluk iki rastgele değişkenin skaler ürününün (termal) ortalaması, ve pozisyonlarda ve ve zamanlar ve :

İşte parantezler, , yukarıda belirtilen termal ortalamayı belirtin. Birinin ilişkisiz ortalama ürününün çıkarılıp çıkarılmayacağı bir konvansiyon meselesidir. ve , ilişkili üründen, alanlar arasında farklılaşan kongre ile. Korelasyon işlevlerinin en yaygın kullanımları, ve spin-spin korelasyon fonksiyonu gibi aynı değişkeni veya elemental bir sıvı veya katıdaki partikül pozisyonu korelasyon fonksiyonu gibi aynı değişkeni tanımlayın (genellikle Radyal dağılım işlevi veya bir çift korelasyon işlevi). Aynı rasgele değişken arasındaki korelasyon fonksiyonları otokorelasyon fonksiyonları. Bununla birlikte, istatistiksel mekanikte, tüm korelasyon fonksiyonları otokorelasyon fonksiyonları değildir. Örneğin, çok bileşenli yoğun fazlarda, farklı elemanlar arasındaki çift korelasyon işlevi genellikle ilgi çekicidir. Bu tür karma eleman çifti korelasyon fonksiyonları, çapraz korelasyon fonksiyonları rastgele değişkenler olarak ve yoğunluktaki ortalama değişimleri iki farklı öğe için bir fonksiyon pozisyonu olarak temsil eder.

Denge eşit zamanlı (uzamsal) korelasyon fonksiyonları

Çoğu zaman, kişi yalnızca mekansal belirli bir rastgele değişkenin etkisi, diyelim ki bir spinin yönü, daha sonraki zamanları dikkate almadan yerel çevresi üzerindeki etkisi, . Bu durumda, sistemin zaman evrimini ihmal ederiz, bu nedenle yukarıdaki tanım yeniden yazılır. . Bu tanımlıyor eşit zamanlı korelasyon işlevi, . Şu şekilde yazılmıştır:

Çoğu zaman referans süresi atlanır, ve referans yarıçapı, , dengeyi (ve dolayısıyla topluluğun zamanla değişmezliğini) varsayarak ve tüm örnek konumlarının ortalamasını alarak, sonuç:

burada, yine, ilişkisiz değişkenlerin çıkarılıp çıkarılmayacağı seçimi alanlar arasında farklılık gösterir. Radyal dağılım işlevi , ilişkisiz referansın genellikle çıkarılmadığı eşit zamanlı bir korelasyon fonksiyonunun bir örneğidir. Çeşitli malzemeler ve koşullar için diğer eşit zamanlı spin-spin korelasyon fonksiyonları bu sayfada gösterilmektedir.

Denge eşit pozisyon (zamansal) korelasyon fonksiyonları

Biri de ilgilenebilir geçici mikroskobik değişkenlerin evrimi. Başka bir deyişle, belirli bir konum ve zamandaki mikroskobik bir değişkenin değeri, ve , aynı mikroskobik değişkenin değerini daha sonra etkiler, (ve genellikle aynı pozisyonda). Bu tür zamansal korelasyonlar şu şekilde ölçülür: eşit pozisyon korelasyon fonksiyonları, . Yukarıdaki eşit zamanlı korelasyon fonksiyonlarına benzer şekilde tanımlanırlar, ancak şimdi uzamsal bağımlılıkları ayarlayarak ihmal ediyoruz , veren:

Denge varsayımı (ve dolayısıyla topluluğun zamanla değişmezliği) ve numunedeki tüm sitelerin ortalamasının alınması, eşit zamanlı korelasyon fonksiyonunda olduğu gibi eşit pozisyon korelasyon fonksiyonu için daha basit bir ifade verir:

Yukarıdaki varsayım ilk bakışta sezgisel görünmeyebilir: Zamanla değişmeyen bir topluluk nasıl olur da tek tip olmayan zamansal korelasyon işlevine sahip olabilir? Denge sistemlerinde zamansal korelasyonlar konuşmak için geçerli olmaya devam ediyor çünkü zamanla değişmeyen, makroskobik topluluk hala önemsiz olmayan zamansal dinamiklere sahip olabilir mikroskobik olarak. Bir örnek difüzyon içindedir. Dengede bulunan tek fazlı bir sistem makroskopik olarak homojen bir bileşime sahiptir. Bununla birlikte, her bir atomun mikroskobik hareketini izlerseniz, tek tek atomlar tarafından gerçekleştirilen yarı rastgele yürüyüşler nedeniyle kompozisyondaki dalgalanmalar sürekli olarak meydana gelir. İstatistiksel mekanik, kişinin denge sistemlerinin bu tür dalgalanmalarının zamansal davranışları hakkında içgörülü açıklamalar yapmasına izin verir. Bu, aşağıdaki bölümde tartışılmaktadır. korelasyon fonksiyonlarının zamansal gelişimi ve Onsager'ın regresyon hipotezi.

Denge korelasyon fonksiyonlarının ötesinde genelleme

Yukarıdaki korelasyon fonksiyonlarının tümü denge istatistiksel mekaniği bağlamında tanımlanmıştır. Ancak dengeden uzak sistemler için korelasyon fonksiyonlarını tanımlamak mümkündür. Genel tanımının incelenmesi Bu korelasyon fonksiyonlarında kullanılan atomik pozisyonlar ve dönüşler gibi rastgele değişkenlerin dengeden uzakta tanımlanabileceği açıktır. Bu nedenle, skaler ürünleri dengeden uzakta iyi tanımlanmıştır. Artık dengeden uzakta iyi tanımlanmayan işlem, denge topluluğu üzerindeki ortalamadır. Denge dışı sistem için bu ortalama alma işlemi, tipik olarak tüm numune boyunca skaler ürünün ortalamasının alınmasıyla değiştirilir. Bu, saçılma deneylerinde ve bilgisayar simülasyonlarında tipiktir ve genellikle camların radyal dağılım işlevlerini ölçmek için kullanılır.

Dengeden biraz bozulan sistemler için durumlar üzerinden ortalamalar da tanımlanabilir. Örneğin bkz. http://xbeams.chem.yale.edu/~batista/vaa/node56.html

Korelasyon fonksiyonlarını ölçme

Korelasyon fonksiyonları tipik olarak saçılma deneyleri ile ölçülür. Örneğin, x-ışını saçılma deneyleri, elektron-elektron eşit zamanlı korelasyonlarını doğrudan ölçer.[1] Elemental yapı faktörleri bilgisinden, elementel çift korelasyon fonksiyonları da ölçülebilir. Görmek Radyal dağılım işlevi daha fazla bilgi için. Eşit zamanlı spin-spin korelasyon fonksiyonları ile ölçülür nötron saçılması x-ışını saçılmasının aksine. Nötron saçılımı, çift korelasyonları hakkında da bilgi verebilir. Yaklaşık bir mikrometreden daha büyük parçacıklardan oluşan sistemler için, hem eşit zamanlı hem de eşit konumlu korelasyon fonksiyonlarını ölçmek için optik mikroskopi kullanılabilir. Optik mikroskopi bu nedenle, özellikle iki boyutta koloidal süspansiyonlar için yaygındır.

Korelasyon fonksiyonlarının zaman gelişimi

1931'de, Lars Onsager dengedeki mikroskobik termal dalgalanmaların regresyonunun, küçük denge dışı bozuklukların makroskopik gevşeme yasasını izlediğini öne sürdü.[2] Bu, Onsager regresyon hipotezi. Mikroskobik değişkenlerin değerleri büyük zaman ölçekleriyle ayrıldığından, , termodinamik dengeden bekleyeceğimizin ötesinde ilintisiz olmalıdır, bir korelasyon fonksiyonunun zaman içindeki gelişimi, sistem, bazı mikroskobik değişkenlerin spesifikasyonu yoluyla üzerine yerleştirilen başlangıç ​​koşullarını kademeli olarak 'unuttuğu' gibi fiziksel bir bakış açısından görülebilir. Aslında, korelasyon fonksiyonlarının zaman evrimi ile makroskopik sistemlerin zaman evrimi arasında sezgisel bir bağlantı vardır: ortalama olarak, korelasyon fonksiyonu, korelasyon fonksiyonunun başlangıç ​​değeri ile belirlenen koşullarda bir sistem hazırlanmış gibi, aynı şekilde zaman içinde gelişir. ve gelişmesine izin verildi.[1]

Sistemin denge dalgalanmaları, dış tedirginliklere tepkisi ile ilgili olabilir. Dalgalanma-dağılım teoremi.

Faz geçişleri ve korelasyon fonksiyonları arasındaki bağlantı

Başlık çok açıklayıcı.
Eşit zamanlı korelasyon fonksiyonları, , bir ferromanyetik spin sistemi için yarıçapın bir fonksiyonu olarak, kritik sıcaklığında, üstünde, altında ve altında, . Yukarıda , mesafeye birleşik üstel ve güç yasası bağımlılığı sergiler: . Güç kanunu bağımlılığı, korelasyon uzunluğuna göre kısa mesafelerde hakimdir, üstel bağımlılık büyük mesafelerde baskın iken . Şurada: , korelasyon uzunluğu farklılaşır, , yalnızca güç kanunu davranışıyla sonuçlanır: . uzun menzilli düzen olmaksızın ilgili düzen parametresinin mikroskobik değerleri arasındaki uzamsal korelasyonların aşırı yerel olmaması ile ayırt edilir. Altında dönüşler, spontane sıralama, yani uzun menzilli düzen ve sonsuz korelasyon uzunluğu sergiler. Sürekli düzen-bozukluk geçişleri, korelasyon uzunluğu süreci olarak anlaşılabilir, düşük sıcaklıkta, sıralı durumda sonsuzdan kritik noktada sonsuza ve daha sonra yüksek sıcaklıkta, düzensiz bir durumda sonluya geçiş.

Metal alaşımlarında düzen-bozukluk geçişleri ve ferromanyetik-paramanyetik geçişler gibi sürekli faz geçişleri, sıralı durumdan düzensiz duruma geçişi içerir. Korelasyon fonksiyonları açısından, eşit zamanlı korelasyon fonksiyonu, kritik sıcaklığın altındaki tüm kafes noktaları için sıfırdan farklıdır ve kritik sıcaklığın sadece oldukça küçük bir yarıçapı için ihmal edilemez. Faz geçişi sürekli olduğundan, mikroskobik değişkenlerin ilişkili olduğu uzunluk, malzeme kritik sıcaklığı ile ısıtıldığında sonsuzdan sonluya sürekli geçiş yapmalıdır. Bu, kritik noktadaki mesafenin bir fonksiyonu olarak korelasyon fonksiyonunun güç-yasası bağımlılığına yol açar. Bu, bir ferromanyetik malzeme durumunda, manyetizma ile ilgili bölümde listelenen kantitatif ayrıntılarla birlikte soldaki şekilde gösterilmiştir.

Başvurular

Manyetizma

İçinde çevirmek sistemi, eşit zamanlı korelasyon işlevi özellikle iyi çalışılmıştır. Tüm olası sıralamalar üzerinde iki kafes noktasında spinlerin skaler çarpımının kanonik topluluk (termal) ortalamasını açıklar:Burada parantezler, yukarıda bahsedilen termal ortalama anlamına gelir. Bu fonksiyonun şematik grafikleri, solda Curie sıcaklığının altında, üstünde ve üstünde bir ferromanyetik malzeme için gösterilmiştir.

Manyetik olarak düzensiz bir fazda bile, farklı konumlardaki dönüşler ilişkilidir, yani r mesafesi çok küçükse (bazı uzunluk ölçeğine kıyasla) ), dönüşler arasındaki etkileşim birbirleriyle ilişkilendirilmesine neden olur. Dönüşler arasındaki etkileşimin bir sonucu olarak doğal olarak ortaya çıkacak hizalama termal etkilerle yok edilir. Yüksek sıcaklıklarda üstel olarak azalan korelasyonlar, artan mesafe ile gözlenir ve korelasyon fonksiyonu asimptotik olarak verilir.

burada r, dönüşler arasındaki mesafe ve d, sistemin boyutudur ve değeri, sistemin düzensiz aşamada (yani kritik noktanın üstünde) veya sıralı aşamada (yani kritik noktanın altında) olmasına bağlı olan bir üsdür. Yüksek sıcaklıklarda, korelasyon dönüşler arasındaki mesafe ile üssel olarak sıfıra düşer. Radyal mesafenin bir fonksiyonu olarak aynı üstel bozulma aşağıda da gözlenmektedir. , ancak büyük mesafelerdeki sınır ortalama manyetizasyondur . Kesinlikle kritik noktada, cebirsel bir davranış görülür

nerede bir kritik üs, kritik olmayan üs ile herhangi bir basit ilişkisi olmayan yukarıda tanıtıldı. Örneğin, iki boyutlu Ising modelinin kesin çözümü (kısa menzilli ferromanyetik etkileşimlerle) tam olarak kritikliği verir ama kritikliğin üstünde ve kritikliğin altında . [3][4]

Sıcaklık düştükçe, termal düzensizlik azalır ve sürekli bir faz geçişinde korelasyon uzunluğu, korelasyon uzunluğu sürekli olarak faz geçişinin üstündeki sonlu bir değerden faz geçişinin altında sonsuza geçmesi gerektiğinden farklılaşır:

başka bir kritik üs ile .

Bu Güç yasası korelasyon sorumludur ölçekleme, bu geçişlerde görülüyor. Bahsedilen tüm üsler sıcaklıktan bağımsızdır. evrensel, yani çok çeşitli sistemlerde aynı olduğu bulunmuştur.

Radyal dağılım fonksiyonları

Yaygın bir korelasyon işlevi, radyal dağılım işlevi sıkça görülen Istatistik mekaniği ve akışkanlar mekaniği. Korelasyon fonksiyonu, tam olarak çözülebilir modellerde (tek boyutlu Bose gazı, spin zincirleri, Hubbard modeli) şu şekilde hesaplanabilir: Kuantum ters saçılma yöntemi ve Bethe ansatz. İzotropik bir XY modelinde, zaman ve sıcaklık korelasyonları Its, Korepin, Izergin ve Slavnov tarafından değerlendirildi.[5]

Daha yüksek dereceden korelasyon fonksiyonları

Daha yüksek sıralı korelasyon fonksiyonları, birden fazla referans noktası içerir ve ikiden fazla rastgele değişkenin ürününün beklenen değerini alarak yukarıdaki korelasyon fonksiyonunun genelleştirilmesi yoluyla tanımlanır:

Bununla birlikte, bu tür yüksek dereceli korelasyon fonksiyonlarının yorumlanması ve ölçülmesi nispeten zordur. Örneğin, çift dağılım fonksiyonlarının yüksek dereceli analoglarını ölçmek için, uyumlu x-ışını kaynaklarına ihtiyaç vardır. Hem böyle bir analizin teorisi[6][7] ve gerekli X-ışını çapraz korelasyon fonksiyonlarının deneysel ölçümü[8] aktif araştırma alanlarıdır.

Referanslar

  1. ^ a b Sethna, James P. (2006). "Bölüm 10: İlişkiler, yanıt ve dağılım". İstatistiksel Mekanik: Entropi, Sipariş Parametreleri ve Karmaşıklık. Oxford University Press. ISBN  978-0198566779.
  2. ^ Onsager, Lars (1931). "Tersinmez Süreçlerde Karşılıklı İlişkiler. I." Fiziksel İnceleme. 38 (405): 2265–2279. Bibcode:1931PhRv ... 37..405O. doi:10.1103 / PhysRev.37.405.
  3. ^ B.M. McCoy ve T.T. Wu, İki boyutlu Ising modeli, Harvard Univ. Basın (Cambridge Mass. 1973)
  4. ^ M. Henkel, Konformal değişmezlik ve kritik fenomen, Springer (Heidelberg 1999)
  5. ^ A.R. V.e. Korepin, A.G. Izergin ve N.A. Slavnov (2009) Kuantum Dönüşlerinin Sıcaklık Korelasyonu itibaren arxiv.org.
  6. ^ Altarelli, M .; Kurta, R. P .; Vartanyants, I.A. (2010). "X-ışını çapraz korelasyon analizi ve düzensiz sistemlerin yerel simetrileri: Genel teori". Fiziksel İnceleme B. 82 (10): 104207. arXiv:1006.5382. Bibcode:2010PhRvB..82j4207A. doi:10.1103 / PhysRevB.82.104207. S2CID  119243898.
  7. ^ Lehmkühler, F .; Grübel, G .; Gutt, C. (2014). "Model sistemlerde oryantasyonel sıranın X-ışını çapraz korelasyon yöntemleriyle tespit edilmesi". Uygulamalı Kristalografi Dergisi. 47 (4): 1315. arXiv:1402.1432. doi:10.1107 / S1600576714012424. S2CID  97097937.
  8. ^ Wochner, P .; Gutt, C .; Autenrieth, T .; Demmer, T .; Bugaev, V .; Ortiz, A. D .; Duri, A .; Zontone, F .; Grubel, G .; Dosch, H. (2009). "X-ışını çapraz korelasyon analizi, düzensiz maddede gizli yerel simetrileri ortaya çıkarır". Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı. 106 (28): 11511–4. Bibcode:2009PNAS..10611511W. doi:10.1073 / pnas.0905337106. PMC  2703671. PMID  20716512.

daha fazla okuma