Döndürme camı - Spin glass - Wikipedia

Şematik gösterimi rastgele bir spin yapısı döner cam (üst) ve sipariş biri ferromagnet (alt)
Amorf SiO2
Cam (amorf SiO2)
Kristal SiO2)
Kuvars (kristalin SiO2)
Döner camın bir ferromanyete kıyasla manyetik bozukluğu, kuvarsla (sağda) karşılaştırıldığında camın (solda) konumsal bozukluğuna benzer.

İçinde yoğun madde fiziği, bir döner cam belirli bir tür modeldir mıknatıs. Manyetik dönüşler, kabaca konuşursak, üç boyutlu uzayda kuzey ve güney manyetik kutupların yönelimidir. İçinde ferromanyetik katılar, bileşen atomların manyetik dönüşler hepsi aynı yönde hizalanır. Döndürme camları, ferromıknatıslarla karşılaştırılır "düzensiz "atomlarının dönüşlerinin düzenli bir şekilde hizalanmadığı mıknatıslar.

"Cam" terimi, aşağıdakiler arasındaki bir analojiden gelir: manyetik döndürme camındaki bozukluk ve konumsal geleneksel, kimyasal bir bozukluk bardak örneğin bir pencere camı. Pencere camında veya herhangi bir amorf katı atomik bağ yapısı oldukça düzensizdir; aksine, a kristal düzgün bir atomik bağ modeline sahiptir. İçinde ferromanyetik katılar, manyetik dönüşlerin hepsi aynı yönde hizalanır; bu bir kristale benzer kafes tabanlı yapı.

Döndürme camındaki tek tek atomik bağlar, kabaca eşit sayıda ferromanyetik bağların (komşuların aynı yönelime sahip olduğu yerlerde) bir karışımıdır ve antiferromanyetik bağlar (komşuların tam tersi yönelimde olduğu yerlerde: kuzey ve güney kutupları 180 derece çevrilir). Bu hizalanmış ve yanlış hizalanmış atomik mıknatıs desenleri, sinirli etkileşimler - atomik bağların geometrisindeki bozulmalar, normal, tamamen hizalanmış bir katıda görülebilecek olana kıyasla. Ayrıca, atomların birden fazla geometrik düzenlemesinin kararlı olduğu durumlar yaratabilirler.

Dönen camlar ve bunların içinde ortaya çıkan karmaşık iç yapılar "yarı kararlı "çünkü kararlı konfigürasyonlarda" sıkışmış "durumdalar. en düşük enerjili konfigürasyon (hizalanmış ve ferromanyetik olacaktır). Bu yapıların matematiksel karmaşıklığı zordur, ancak deneysel olarak veya deneysel olarak çalışmak verimlidir. simülasyonlar; fizik, kimya, malzeme bilimi ve yapay sinir ağları bilgisayar biliminde.

Manyetik davranış

Döndürme camlarını diğer manyetik sistemlerden ayıran zaman bağımlılığıdır.

Döndürme camının üstünde geçiş sıcaklığı, Tc,[not 1] döner cam, tipik manyetik davranış sergiler (örneğin paramanyetizma ).

Eğer bir manyetik alan numune geçiş sıcaklığına soğutulduğunda uygulanır, numunenin mıknatıslanması Curie yasası. Ulaştıktan sonra Tc, numune bir döndürme camına dönüşür ve daha fazla soğutma, manyetizasyonda küçük bir değişikliğe neden olur. Bu, alan soğutmalı mıknatıslanma.

Dış manyetik alan kaldırıldığında, döner camın manyetizması hızla, daha düşük bir değere düşer. kalıcı mıknatıslanma.

Daha sonra mıknatıslanma, sıfıra (veya orijinal değerin küçük bir kısmına) yaklaştıkça yavaşça azalır. bilinmeyen kalır ). Bu çürüme üstel değildir ve hiçbir basit fonksiyon zamana karşı mıknatıslanma eğrisine yeterince uyamaz.[1] Bu yavaş çürüme özellikle dönen camlara özgüdür. Günlerin sırasına göre yapılan deneysel ölçümler, enstrümantasyonun gürültü seviyesinin üzerinde sürekli değişiklikler olduğunu göstermiştir.[1]

Döndürme camları, harici manyetik alan bir ferromanyetik maddeden çıkarıldıktan sonra, manyetizasyonun kalıcı değerde sonsuza kadar kalması gerçeğiyle ferromanyetik malzemelerden farklıdır. Paramanyetik malzemeler, dış manyetik alan kaldırıldıktan sonra, manyetizasyonun kalıcı bir mıknatıslanma olmaksızın hızla sıfıra düşmesi gerçeğiyle döner camlardan farklıdır. Çürüme hızlı ve üsteldir.[kaynak belirtilmeli ]

Örnek aşağıda soğutulursa Tc harici bir manyetik alanın yokluğunda ve dönen cam aşamasına geçişten sonra bir manyetik alan uygulandığında, hızlı bir başlangıç ​​değeri olarak adlandırılan bir değere yükselir. sıfır alan soğutmalı mıknatıslanma. Daha sonra alan soğutmalı manyetizasyona doğru yavaş bir yukarı doğru sürüklenme meydana gelir.

Şaşırtıcı bir şekilde, zamanın iki karmaşık fonksiyonunun toplamı (sıfır alan soğutmalı ve kalıcı mıknatıslamalar) sabittir, yani alan soğutmalı değerdir ve bu nedenle her ikisi de zamanla aynı fonksiyonel formları paylaşır,[2] en azından çok küçük dış alanlar sınırında.

Edwards-Anderson modeli

Bu modelde, bir sadece en yakın komşu etkileşimlerine sahip boyutlu kafes Ising modeli. Bu model tam olarak kritik sıcaklıklar için çözülebilir ve düşük sıcaklıklarda camsı bir fazın var olduğu gözlenir.[3] Hamiltoniyen bu spin sistemi için:

nerede ifade eder Pauli dönüş matrisi kafes noktasında spin-yarım parçacık için . Negatif bir değer noktalardaki dönüşler arasındaki antiferromanyetik tip etkileşimi gösterir ve . Toplam, herhangi bir boyuttaki bir kafes üzerindeki tüm en yakın komşu konumlarının üzerinden geçer. Değişkenler Spin-spin etkileşimlerinin manyetik doğasını temsil eden, bağ veya bağlantı değişkenleri olarak adlandırılır.

Bu sistemin bölme fonksiyonunu belirlemek için, serbest enerjinin ortalamasına ihtiyaç vardır. nerede tüm olası değerlerin üzerinde . Değerlerinin dağılımı ortalama ile bir Gauss olarak kabul edilir ve bir varyans :

Kullanarak serbest enerjiyi çözmek çoğaltma yöntemi Belirli bir sıcaklığın altında, sistemin camsı fazı (veya camsı faz) olarak adlandırılan ve kaybolan bir mıknatıslanma ile karakterize edilen yeni bir manyetik fazın var olduğu bulunmuştur. aynı kafes noktasında ancak iki farklı kopyada dönüşler arasındaki iki nokta korelasyon fonksiyonunun kaybolmayan değeri ile birlikte:

nerede kopya endekslerdir. sipariş parametresi Ferromanyetik için cam fazı geçişi bu nedenle ve paramanyetik için camı döndürmek için . Dolayısıyla, üç manyetik fazı tanımlayan yeni düzen parametreleri seti, her ikisinden de oluşur. ve .

Çoğaltma simetrisi varsayımı altında, ortalama alan serbest enerjisi şu ifade ile verilir:[3]

Sherrington ve Kirkpatrick'in modeli

Olağandışı deneysel özelliklere ek olarak, döndürme camları kapsamlı teorik ve hesaplamalı araştırmaların konusudur. Döndürme camlar üzerine erken teorik çalışmaların önemli bir kısmı, bir ortalama alan teorisi bir dizi temelinde kopyalar of bölme fonksiyonu sistemin.

Dönen camın önemli ve tam olarak çözülebilir bir modeli, David Sherrington ve Scott Kirkpatrick, 1975'te. Ising modeli uzun menzilli engelli ferro ve antiferromanyetik bağlantılar ile. A karşılık gelir ortalama alan yaklaşımı manyetizasyonun yavaş dinamiklerini ve karmaşık ergodik olmayan denge durumunu açıklayan döner camların bir parçası.

Edwards – Anderson (EA) modelinden farklı olarak, sistemde sadece iki spinli etkileşimler dikkate alınsa da, her bir etkileşimin aralığı potansiyel olarak sonsuz olabilir (kafesin boyutunun sırası). Bu nedenle, herhangi iki dönüşün bir ferromanyetik veya bir antiferromanyetik bağ ile bağlantılı olabileceğini görüyoruz ve bunların dağılımı tam olarak Edwards-Anderson modelinde olduğu gibi verilmiştir. Hamiltonian for SK modeli, EA modeline çok benzer:

nerede EA modelinde olduğu gibi aynı anlamlara sahiptir. Sherrington, Kirkpatrick ve diğerlerinin bazı ilk denemelerinden sonra modelin denge çözümü şu şekilde bulundu: Giorgio Parisi 1979'da replika yöntemiyle. Parisi çözümünün sonraki yorumlama çalışması - M. Mezard, G. Parisi, M.A. Virasoro ve diğerleri tarafından - ergodiklik kırılması, ultrametriklik ve özerklik olmaması ile karakterize camsı bir düşük sıcaklık fazının karmaşık doğasını ortaya çıkardı. Daha fazla gelişme, boşluk yöntemi bu, düşük sıcaklık fazının kopyasız çalışılmasına izin verdi. Parisi çözümünün titiz bir kanıtı, Francesco Guerra ve Michel Talagrand.[4]

Çoğaltma ortalama alan teorisinin biçimciliği, nöral ağlar, basit sinir ağı mimarilerinin depolama kapasitesi gibi özelliklerin bir eğitim algoritması gerektirmeden hesaplanmasını sağladığında (örneğin geri yayılım ) tasarlanacak veya uygulanacak.[5]

Kısa menzilli engelli etkileşimler ve düzensizlikler içeren daha gerçekçi döndürme cam modelleri, örneğin Gauss komşu dönüşler arasındaki bağlantıların bir Gauss dağılımı, kapsamlı olarak da çalışılmıştır, özellikle Monte Carlo simülasyonları. Bu modeller, keskin camlarla çevrelenmiş döner cam aşamalarını gösterir. faz geçişleri.

Yoğun madde fiziğindeki alaka düzeyinin yanı sıra, döndürme cam teorisi son derece disiplinler arası bir karakter kazanmıştır. sinir ağı teori, bilgisayar bilimi, teorik biyoloji, ekonofizik vb.

Sonsuz aralık modeli

Sonsuz aralık modeli, bir genellemedir. Sherrington-Kirkpatrick modeli sadece iki spin etkileşimini değil, aynı zamanda -spin etkileşimleri, nerede ve toplam spin sayısıdır. Edwards – Anderson modelinin aksine, SK modeline benzer şekilde, etkileşim aralığı hala sonsuzdur. Bu model için Hamiltoniyen şu şekilde tanımlanmaktadır:

nerede EA modelinde olduğu gibi benzer anlamlara sahiptir. Bu modelin sınırı olarak bilinir rastgele enerji modeli. Bu sınırda, belirli bir durumda bulunan döner camın olasılığının, yalnızca o durumun enerjisine bağlı olduğu ve içindeki bireysel spin konfigürasyonlarına bağlı olmadığı görülebilir. Kafes boyunca manyetik bağların gauss dağılımı varsayılır. genellikle bu modeli çözmek için. Başka herhangi bir dağıtımın, aynı sonucu vermesi beklenir. Merkezi Limit Teoremi. Ortalama ile gauss dağılımı işlevi ve varyans , şu şekilde verilir:

Bu sistem için sipariş parametreleri manyetizasyon ile verilmektedir. ve aynı bölgedeki dönüşler arasındaki iki noktalı spin korelasyonu , SK modeli ile aynı olan iki farklı replikada. Bu sonsuz aralık modeli, serbest enerji için açıkça çözülebilir.[3] açısından ve , replika simetri ve 1-Replica Symmetry Breaking varsayımı altında.[3]

Ergodik olmayan davranış ve uygulamalar

Termodinamik bir sistem ergodik sistemin herhangi bir (denge) örneği verildiğinde, sonunda diğer tüm olası (denge) durumlarını (aynı enerjinin) ziyaret eder. Döndürme cam sistemlerinin bir özelliği, donma sıcaklığının altında olmasıdır. Örnekler, "ergodik olmayan" bir durum kümesine hapsolmuştur: sistem birkaç durum arasında dalgalanabilir, ancak eşdeğer enerjinin diğer durumlarına geçiş yapamaz. Sezgisel olarak, sistemin hiyerarşik olarak düzensiz enerji manzarasının derin minimumlarından kaçamayacağı söylenebilir; minimumlar arasındaki mesafeler bir ultrametrik minimumlar arasında uzun enerji bariyerleri ile.[not 2] katılım oranı belirli bir örnekten erişilebilen durumların sayısını, yani katılan durumların sayısını sayar. Zemin durumu.

Bakırda seyreltik manganez gibi fiziksel sistemler için donma sıcaklığı tipik olarak 30 kadar düşüktür. Kelvin (−240 ° C) ve bu nedenle spin-cam manyetizması günlük hayatta pratik olarak uygulamasız görünmektedir. Bununla birlikte, ergodik olmayan durumlar ve engebeli enerji manzaraları, belirli davranışların anlaşılmasında oldukça kullanışlıdır. nöral ağlar, dahil olmak üzere Hopfield ağları yanı sıra birçok sorun bilgisayar Bilimi optimizasyon ve genetik.

Kendinden indüklenen döner cam

2020'de fizik araştırmacıları Radboud Üniversitesi ve Uppsala Üniversitesi olarak bilinen bir davranış gözlemlediklerini açıkladı kendinden kaynaklı döner cam neodimyumun atom yapısında. Araştırmacılardan biri, "... bizler konusunda uzmanız taramalı tünelleme mikroskobu. Tek tek atomların yapısını görmemizi sağlar ve atomların kuzey ve güney kutuplarını çözebiliriz. Yüksek hassasiyetli görüntülemedeki bu ilerlemeyle, neodimyumdaki davranışı keşfetmeyi başardık çünkü manyetik yapıdaki inanılmaz derecede küçük değişiklikleri çözebildik. "Neodim, daha önce periyodik bir tabloda görülmemiş karmaşık bir manyetik şekilde davranır. öğesi.[6][7]

Alanın tarihi

1960'ların başından 1980'lerin sonuna kadar dönen camların tarihinin ayrıntılı bir açıklaması, bir dizi popüler makalede bulunabilir. Philip W. Anderson içinde Bugün Fizik.[8][9][10][11][12][13][14]

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. ^ sözde "donma sıcaklığı" ile aynıdır
  2. ^ Enerji manzarasının hiyerarşik düzensizliği sözlü olarak tek bir cümleyle karakterize edilebilir: Bu manzarada "daha derin (rastgele) vadilerdeki daha derin (rastgele) vadiler içinde (rastgele) vadiler, ... vb."

Referanslar

  1. ^ a b Sevinç, PA; Kumar, P. Anıl; Tarih, S K (7 Ekim 1998). "Bazı düzenli manyetik sistemlerin alan soğutmalı ve sıfır alan soğutmalı duyarlılıkları arasındaki ilişki". J. Phys .: Condens. Önemli olmak. 10 (48): 11049–11054. Bibcode:1998JPCM ... 1011049J. doi:10.1088/0953-8984/10/48/024.
  2. ^ Nordblad, P; Lundgren, L; Sandlund, L (Şubat 1986). "Soğutulan sıfır alanın gevşemesi ile döner camlardaki ısıyla kalıcı mıknatıslamalar arasında bir bağlantı". Manyetizma ve Manyetik Malzemeler Dergisi. 54–57 (1): 185–186. Bibcode:1986JMMM ... 54..185N. doi:10.1016/0304-8853(86)90543-3.
  3. ^ a b c d Nishimori, Hidetoshi (2001). Döndürme Camlarının İstatistiksel Fiziği ve Bilgi İşlem: Giriş. Oxford: Oxford University Press. s. 243. ISBN  9780198509400.
  4. ^ Michel Talagrand, Döndürme Camları için Ortalama Alan Modelleri Cilt I: Temel Örnekler (2010)
  5. ^ Gardner, E; Deridda, B (7 Ocak 1988). "Sinir ağı modellerinin optimum depolama özellikleri". J. Phys. Bir. 21 (1): 271. doi:10.1088/0305-4470/21/1/031.
  6. ^ Umut Kamber; Anders Bergman; Andreas Eich; Diana Iuşan; Manuel Steinbrecher; Nadine Hauptmann; Lars Nordström; Mikhail I. Katsnelson; Daniel Wegner; Olle Eriksson; Alexander A. Khajetoorians (29 Mayıs 2020). "Elemental ve kristalin neodimyumda kendi kendine indüklenen döner cam durumu". Alındı 29 Mayıs 2020. Cite dergisi gerektirir | dergi = (Yardım Edin)
  7. ^ Radboud Üniversitesi Nijmegen (28 Mayıs 2020). "Yeni 'Dönen' Madde Durumu Keşfedildi: Kendinden Kaynaklı Döndürme Cam". Alındı 29 Mayıs 2020.
  8. ^ Philip W. Anderson (1988). "Döndürme Cam I: Kurtarılmış Ölçeklendirme Yasası" (PDF). Bugün Fizik. 41: 9–11. Bibcode:1988PhT .... 41a ... 9A. doi:10.1063/1.2811268.
  9. ^ Philip W. Anderson (1988). "Spin Glass II: Faz Geçişi Var mı?" (PDF). Bugün Fizik. 41 (3): 9. Bibcode:1988PhT .... 41c ... 9A. doi:10.1063/1.2811336.
  10. ^ Philip W. Anderson (1988). "Spin Glass III: Teori Başını Kaldırıyor" (PDF). Bugün Fizik. 41 (6): 9–11. Bibcode:1988PhT .... 41f ... 9A. doi:10.1063/1.2811440.
  11. ^ Philip W. Anderson (1988). "Spin Glass IV: Belanın Işıltıları" (PDF). Bugün Fizik. 41 (9): 9–11. Bibcode:1988PhT .... 41i ... 9A. doi:10.1063/1.881135.
  12. ^ Philip W. Anderson (1989). "Spin Glass V: Gerçek Güç Getirildi" (PDF). Bugün Fizik. 42 (7): 9–11. Bibcode:1989PhT .... 42g ... 9A. doi:10.1063/1.2811073.
  13. ^ Philip W. Anderson (1989). "Spin Glass VI: Spin Glass As Cornucopia" (PDF). Bugün Fizik. 42 (9): 9–11. Bibcode:1989PhT .... 42i ... 9A. doi:10.1063/1.2811137.
  14. ^ Philip W. Anderson (1990). "Spin Glass VII: Paradigma Olarak Döndürme Cam" (PDF). Bugün Fizik. 43 (3): 9–11. Bibcode:1990PhT .... 43c ... 9A. doi:10.1063/1.2810479.

Edebiyat

Dış bağlantılar