Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схематичное представление случайной спиновой структуры спинового стекла (вверху) и заказал одну из ферромагнетика (внизу)
Кристаллический SiO2)
Кварц (кристаллический SiO 2 )
Магнитный беспорядок спинового стекла по сравнению с ферромагнетиком аналогичен позиционному беспорядку стекла (слева) по сравнению с кварцем (справа).

В физике конденсированной сред , A спинового стекло представляет собой магнитное состояние , которое характеризуется случайностью, кроме кооперативного поведения в морозильных спинах при температуре под названием «температура замерзания» Tf . [1] Магнитные спины - это, грубо говоря, ориентация северного и южного магнитных полюсов в трехмерном пространстве. В ферромагнитных твердых телах все магнитные спины составляющих атомов ориентированы в одном направлении. Спиновое стекло по сравнению с ферромагнетиком определяется как « неупорядоченное » магнитное состояние, в котором спины выровнены случайным образом или не с регулярным узором, а связи также случайны. [1]

Термин «стекло» происходит от аналогии между магнитным беспорядком в спиновом стекле и позиционным беспорядком в обычном химическом стекле , например оконном стекле. В оконном стекле или любом аморфном твердом теле структура атомных связей сильно нерегулярна; напротив, кристалл имеет однородную структуру атомных связей. В ферромагнитных твердых телах все магнитные спины ориентированы в одном направлении; это аналогично структуре кристаллической решетки .

Отдельные атомные связи в спиновом стекле представляют собой смесь примерно равного количества ферромагнитных связей (где соседи имеют одинаковую ориентацию) и антиферромагнитных связей (где соседи имеют прямо противоположную ориентацию: северный и южный полюса повернуты на 180 градусов). Эти паттерны выровненных и несовмещенных атомных магнитов создают так называемые фрустрированные взаимодействия - искажения геометрии атомных связей по сравнению с тем, что можно было бы увидеть в обычном, полностью выровненном твердом теле. Они также могут создавать ситуации, когда стабильно более чем одно геометрическое расположение атомов.

Спиновые стекла и сложные внутренние структуры, которые возникают внутри них, называются « метастабильными », потому что они «застревают» в стабильных конфигурациях, отличных от конфигурации с наименьшей энергией (которая была бы выровненной и ферромагнитной). Математическая сложность этих структур трудна, но плодотворна для экспериментального изучения или моделирования ; с приложениями к физике, химии, материаловедению и искусственным нейронным сетям в информатике.

Магнитное поведение [ править ]

Именно временная зависимость отличает спиновые стекла от других магнитных систем.

Над спинового стекла температуры перехода , Т с , [примечание 1] спинового стекла демонстрирует типичное магнитное поведение (например, парамагнетизму ).

Если магнитное поле прикладывается во время охлаждения образца до температуры перехода, намагниченность образца увеличивается, как описано законом Кюри . По достижении T c образец становится спиновым стеклом, и дальнейшее охлаждение приводит к небольшому изменению намагниченности. Это называется намагничиванием с полевым охлаждением .

Когда внешнее магнитное поле удаляется, намагниченность спинового стекла быстро падает до более низкого значения, известного как остаточная намагниченность.

Затем намагниченность медленно спадает, приближаясь к нулю (или некоторой небольшой части первоначального значения - это остается неизвестным ). Этот спад не является экспоненциальным, и никакая простая функция не может адекватно соответствовать кривой намагничивания в зависимости от времени. [2] Этот медленный распад характерен для спиновых стекол. Экспериментальные измерения в течение нескольких дней показали постоянные изменения, превышающие уровень шума приборов. [2]

Спиновые стекла отличаются от ферромагнетиков тем, что после снятия внешнего магнитного поля с ферромагнетика намагниченность неопределенно долго остается на остаточном значении. Парамагнетики отличаются от спиновых стекол тем, что после снятия внешнего магнитного поля намагниченность быстро падает до нуля без остаточной намагниченности. Затухание быстрое и экспоненциальное. [ необходима цитата ]

Если образец охлаждается ниже T c в отсутствие внешнего магнитного поля и магнитное поле прикладывается после перехода в фазу спинового стекла, происходит быстрое начальное увеличение до значения, называемого намагниченностью при охлаждении в нулевом поле . Затем происходит медленный дрейф вверх в сторону намагниченности, охлаждаемой полем.

Удивительно, но сумма двух сложных функций времени (охлаждение с нулевым полем и остаточная намагниченность) является постоянной величиной, а именно значением с полевым охлаждением, и, таким образом, обе имеют идентичные функциональные формы со временем [3], по крайней мере, в предел очень малых внешних полей.

Модель Эдвардса – Андерсона [ править ]

В этой модели у нас есть спины, расположенные на -мерной решетке с взаимодействиями только ближайших соседей, как в модели Изинга . Эта модель может быть решена точно для критических температур, и стеклообразная фаза наблюдается при низких температурах. [4] гамильтонова для этой спиновой системы определяется по формуле:

где относится к матрице спинов Паули для частицы со спином половины в точке решетки . Отрицательное значение означает взаимодействие антиферромагнитного типа между спинами в точках и . Сумма проходит по всем ближайшим соседним позициям на решетке любой размерности. Переменные, представляющие магнитную природу спин-спиновых взаимодействий, называются связующими или звеньевыми переменными.

Чтобы определить статистическую сумму для этой системы, необходимо усреднить свободную энергию где по всем возможным значениям . Распределение значений принято гауссовым со средним значением и дисперсией :

Решая для свободной энергии с использованием метода реплики , ниже определенной температуры, обнаруживается, что существует новая магнитная фаза, называемая фазой спинового стекла (или стеклообразной фазой) системы, которая характеризуется исчезающей намагниченностью наряду с ненулевым значением. двухточечной корреляционной функции между спинами в одной и той же точке решетки, но в двух разных репликах:

где индексы реплик. Следовательно , параметр порядка для фазового перехода из ферромагнетика в спиновое стекло равен , а для парамагнетика в спиновое стекло - снова . Следовательно, новый набор параметров порядка, описывающий три магнитные фазы, состоит из и .

В предположении симметрии реплики средняя свободная энергия поля определяется выражением: [4]

Модель Шеррингтона и Киркпатрика [ править ]

Помимо необычных экспериментальных свойств, спиновые стекла являются предметом обширных теоретических и вычислительных исследований. Существенная часть ранних теоретических работ по спиновым стеклам имели дело с формой теории среднего поля на основе набора реплик в функции разбиения системы.

Важная, точно решаемая модель спинового стекла была предложена Дэвидом Шеррингтоном и Скоттом Киркпатриком в 1975 году. Это модель Изинга с фрустрированными ферро- и антиферромагнитными связями на больших расстояниях. Это соответствует приближению среднего поля спиновых стекол, описывающему медленную динамику намагниченности и сложное неэргодическое состояние равновесия.

В отличие от модели Эдвардса – Андерсона (EA), хотя в системе рассматриваются только двухспиновые взаимодействия, диапазон каждого взаимодействия потенциально может быть бесконечным (порядка размера решетки). Таким образом, мы видим, что любые два спина могут быть связаны ферромагнитной или антиферромагнитной связью, и их распределение дается точно так же, как в случае модели Эдвардса – Андерсона. Гамильтониан для модели SK очень похож на модель EA:

где имеют то же значение, что и в модели советника. Равновесное решение модели после некоторых первоначальных попыток Шеррингтона, Киркпатрика и других было найдено Джорджио Паризи в 1979 году с помощью метода реплик. Последующая работа по интерпретации решения Паризи - М. Мезаром, Ж. Паризи, М. А. Вирасоро и многими другими - выявила сложную природу стекловидной низкотемпературной фазы, характеризующейся нарушением эргодичности, ультраметричностью и несамоусредненностью. Дальнейшие разработки привели к созданию метода резонатора , который позволил исследовать низкотемпературную фазу без реплик. Строгое доказательство решения Паризи было предоставлено в работе Франческо Герра и Мишеля Талаграна . [5]

Формализм теории среднего поля реплики также применялся при изучении нейронных сетей , где он позволил вычислить такие свойства, как емкость памяти простых архитектур нейронных сетей, не требуя разработки или реализации алгоритма обучения (такого как обратное распространение ). . [6]

Более реалистичные модели спинового стекла с короткодействующими фрустрированными взаимодействиями и беспорядком, такие как модель Гаусса, где связи между соседними спинами следуют гауссовскому распределению , также широко изучались, особенно с использованием моделирования Монте-Карло . Эти модели отображают фазы спинового стекла, окаймленные резкими фазовыми переходами .

Помимо актуальности в физике конденсированного состояния, теория спинового стекла приобрела строго междисциплинарный характер, с приложениями к теории нейронных сетей , информатике, теоретической биологии, эконофизике и т. Д.

Модель с бесконечным диапазоном [ править ]

Модель с бесконечным радиусом действия является обобщением модели Шеррингтона – Киркпатрика, в которой мы рассматриваем не только два спиновых взаимодействия, но и -спиновые взаимодействия, где и - общее количество спинов. В отличие от модели Эдвардса – Андерсона, аналогичной модели SK, диапазон взаимодействия по-прежнему бесконечен. Гамильтониан этой модели описывается следующим образом:

где имеют те же значения, что и в модели советника. Предел этой модели известен как модель случайной энергии . В этом пределе можно видеть, что вероятность существования спинового стекла в конкретном состоянии зависит только от энергии этого состояния, а не от отдельных спиновых конфигураций в нем. Обычно для решения этой модели предполагается гауссово распределение магнитных связей по решетке. Ожидается, что любое другое распределение даст тот же результат, как следствие центральной предельной теоремы . Функция гауссова распределения со средним значением и дисперсией задается как:

Параметры порядка для этой системы задаются намагниченностью и двухточечной спиновой корреляцией между спинами в одном и том же узле в двух разных репликах, которые такие же, как для модели SK. Эта модель с бесконечным радиусом действия может быть решена явно для свободной энергии [4] в терминах и , в предположении симметрии реплики, а также нарушения симметрии 1-реплики. [4]

Неэргодическое поведение и приложения [ править ]

Термодинамическая система эргодична, когда, учитывая любой (равновесный) экземпляр системы, она в конечном итоге посещает все другие возможные (равновесные) состояния (с той же энергией). Одной из характеристик систем спинового стекла является то, что ниже температуры замерзания экземпляры оказываются в ловушке «неэргодического» набора состояний: система может колебаться между несколькими состояниями, но не может переходить в другие состояния с эквивалентной энергией. Интуитивно можно сказать, что система не может выйти из глубоких минимумов иерархически неупорядоченного энергетического ландшафта; расстояния между минимумами задаются ультраметрическим методом с высокими энергетическими барьерами между минимумами. [примечание 2] Коэффициент участияподсчитывает количество состояний, доступных из данного экземпляра, то есть количество состояний, которые участвуют в основном состоянии .

Для физических систем, таких как разбавленный марганец в меди, температура замерзания обычно составляет всего 30 кельвинов (-240 ° C), и поэтому магнетизм спинового стекла, по-видимому, практически не имеет применения в повседневной жизни. Однако неэргодические состояния и сложные энергетические ландшафты весьма полезны для понимания поведения определенных нейронных сетей , включая сети Хопфилда , а также для решения многих проблем в области оптимизации и генетики информатики .

Самоиндуцированное спиновое стекло [ править ]

В 2020 году физики ученые Radboud университета и Университета Упсалы объявили , что они наблюдали поведение , известное как самоиндуцированного спинового стекла в атомной структуре неодима. Один из исследователей объяснил: «... мы специализируемся на сканирующей туннельной микроскопии . Она позволяет нам видеть структуру отдельных атомов, и мы можем определять северный и южный полюса атомов. Благодаря этому прогрессу в области высокоточной визуализации , мы смогли обнаружить поведение неодима, потому что смогли выявить невероятно малые изменения в магнитной структуре ». Неодим ведет себя сложным магнитным образом, который ранее не наблюдался в элементах периодической таблицы. [7] [8]

История поля [ править ]

Подробный отчет об истории спиновых стекол с начала 1960-х до конца 1980-х годов можно найти в серии популярных статей Филипа В. Андерсона в Physics Today . [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

См. Также [ править ]

  • Антиферромагнитное взаимодействие
  • Метод полости
  • Кристальная структура
  • Геометрическое разочарование
  • Ориентационное стекло
  • Фаза перехода
  • Подавленный беспорядок
  • Модель случайной энергии
  • Трюк с репликой
  • Спиновый лед

Примечания [ править ]

  1. ^ совпадает с так называемой «температурой замерзания».
  2. ^ Иерархический беспорядок в энергетическом ландшафте может быть словесно охарактеризован одним предложением: в этом ландшафте есть «(случайные) долины внутри еще более глубоких (случайных) долин внутри еще более глубоких (случайных) долин, ... и т. Д.»)

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Mydosh, JA (1993). Spin Glasses: экспериментальное введение . Лондон, Вашингтон, округ Колумбия: Тейлор и Фрэнсис. п. 3. ISBN 0748400389, 9780748400386Контрольное |isbn=значение: недопустимый символ ( справка ) .
  2. ^ a b Джой, Пенсильвания; Кумар, П.С. Анил; Дата, СК (7 октября 1998 г.). «Взаимосвязь между охлаждаемой полем и нулевой восприимчивостью некоторых упорядоченных магнитных систем». J. Phys .: Condens. Материя . 10 (48): 11049–11054. Bibcode : 1998JPCM ... 1011049J . DOI : 10.1088 / 0953-8984 / 10/48/024 .
  3. ^ Nordblad, P; Лундгрен, L; Сандлунд, Л. (февраль 1986 г.). «Связь между релаксацией охлажденного нулевого поля и термоостаточными намагниченностями в спиновых стеклах». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 54–57 (1): 185–186. Bibcode : 1986JMMM ... 54..185N . DOI : 10.1016 / 0304-8853 (86) 90543-3 .
  4. ^ a b c d Нисимори, Хидетоши (2001). Статистическая физика спиновых стекол и обработка информации: Введение . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 243. ISBN 9780198509400.
  5. ^ Мишель Талагранд, Модели среднего поля для спиновых очков Том I: Основные примеры (2010)
  6. ^ Гарднер, E; Деридда, Б. (7 января 1988 г.). «Оптимальные запоминающие свойства моделей нейронных сетей». J. Phys. . 21 (1): 271. Bibcode : 1988JPhA ... 21..271G . DOI : 10.1088 / 0305-4470 / 21/1/031 .
  7. ^ Умут Камбер; Андерс Бергман; Андреас Эйх; Диана Юшан; Мануэль Штайнбрехер; Надин Хауптманн; Ларс Нордстрём; Михаил И. Кацнельсон; Даниэль Вегнер; Олле Эрикссон; Александр Александрович Хаджетурян (29 мая 2020 г.). «Состояние самоиндуцированного спинового стекла в элементарном и кристаллическом неодиме» . Дата обращения 29 мая 2020 . Cite magazine requires |magazine= (help)
  8. ^ Университета Неймегена (28 мая 2020). «Обнаружено новое« вращающееся »состояние материи: самоиндуцированное спиновое стекло» . Дата обращения 29 мая 2020 .
  9. ^ Филип У. Андерсон (1988). «Спин-стекло I: спасенный закон масштабирования» (PDF) . Физика сегодня . 41 (1): 9–11. Bibcode : 1988PhT .... 41a ... 9A . DOI : 10.1063 / 1.2811268 .
  10. ^ Филип У. Андерсон (1988). «Спин-стекло II: есть ли фазовый переход?» (PDF) . Физика сегодня . 41 (3): 9. Bibcode : 1988PhT .... 41c ... 9A . DOI : 10.1063 / 1.2811336 .
  11. ^ Филип У. Андерсон (1988). «Спин-стекло III: теория поднимает голову» (PDF) . Физика сегодня . 41 (6): 9–11. Bibcode : 1988PhT .... 41f ... 9A . DOI : 10.1063 / 1.2811440 .
  12. ^ Филип У. Андерсон (1988). "Spin Glass IV: Проблески проблем" (PDF) . Физика сегодня . 41 (9): 9–11. Bibcode : 1988PhT .... 41i ... 9A . DOI : 10.1063 / 1.881135 .
  13. ^ Филип В. Андерсон (1989). «Спин Гласс V: реальная сила на руку» (PDF) . Физика сегодня . 42 (7): 9–11. Bibcode : 1989PhT .... 42g ... 9A . DOI : 10.1063 / 1.2811073 .
  14. ^ Филип В. Андерсон (1989). "Spin Glass VI: Spin Glass As Cornucopia" (PDF) . Физика сегодня . 42 (9): 9–11. Bibcode : 1989PhT .... 42i ... 9A . DOI : 10.1063 / 1.2811137 .
  15. ^ Филип У. Андерсон (1990). "Спин-стекло VII: Спин-стекло как парадигма" (PDF) . Физика сегодня . 43 (3): 9–11. Bibcode : 1990PhT .... 43c ... 9A . DOI : 10.1063 / 1.2810479 .

Литература [ править ]

  • Эдвардс, Сан-Франциско; Андерсон, П. У. (1975), «Теория спиновых стекол», Journal of Physics F: Metal Physics , 5 (5): 965–974, Bibcode : 1975JPhF .... 5..965E , doi : 10.1088 / 0305-4608 / 5/5/017. [1]
  • Шеррингтон, Дэвид; Киркпатрик, Скотт (1975), "Решаемая модель спинового стекла", Physical Review Letters , 35 (26): 1792–1796, Bibcode : 1975PhRvL..35.1792S , doi : 10.1103 / PhysRevLett.35.1792. Резюме Papercore http://papercore.org/Sherrington1975
  • Nordblad, P .; Lundgren, L .; Сандлунд, Л. (1986), «Связь между релаксацией охлажденного нулевого поля и термоостаточной намагниченностью в спиновых стеклах», Journal of Magnetism and Magnetic Materials , 54 : 185–186, Bibcode : 1986JMMM ... 54 .. 185N , DOI : 10,1016 / 0304-8853 (86) 90543-3.
  • Биндер, К .; Янг, AP (1986), «Спиновые очки: экспериментальные факты, теоретические концепции и открытые вопросы», Reviews of Modern Physics , 58 (4): 801–976, Bibcode : 1986RvMP ... 58..801B , doi : 10.1103 /RevModPhys.58.801.
  • Bryngelson, Joseph D .; Волинс, Питер Г. (1987), «Спиновые очки и статистическая механика сворачивания белков», Труды Национальной академии наук , 84 (21): 7524–7528, Bibcode : 1987PNAS ... 84.7524B , doi : 10.1073 /pnas.84.21.7524 , PMC  299331 , PMID  3478708.
  • Фишер, К. Х .; Герц, Дж. А. (1991), Spin Glasses , Cambridge University Press.
  • Мезард, Марк; Паризи, Джорджио ; Вирасоро, Мигель Анхель (1987), Теория спинового стекла и не только , Сингапур: World Scientific, ISBN 978-9971-5-0115-0.
  • Mydosh, JA (1995), Spin Glasses , Тейлор и Фрэнсис.
  • Паризи, Г. (1980), "Параметр порядка для спиновых стекол: функция на интервале 0-1" (PDF) , J. Phys. A: Математика. Быт , 13 (3): 1101-1112, Bibcode : 1980JPhA ... 13.1101P , DOI : 10,1088 / 0305-4470 / 13/3/ 042 Резюме Papercore http://papercore.org/Parisi1980 .
  • Талагран, Мишель (2000), "нарушение симметрии реплики и экспоненциальные неравенства для модели Шеррингтона-Киркпатрика", Анналы вероятности , 28 (3): 1018-1062, DOI : 10,1214 / AOP / 1019160325 , JSTOR  2652978.
  • . Guerra, F .; Тонинелли, Флорида (2002), "Термодинамический предел в моделях спинового стекла среднего поля", Сообщения по математической физике , 230 (1): 71–79, arXiv : cond-mat / 0204280 , Bibcode : 2002CMaPh.230 ... 71G , DOI : 10.1007 / s00220-002-0699-у , S2CID 16833848 
  • Аминов, Т.Г .; Новоторцы, В. Н. (2014), "спиновые стекла в Cu 0,5 Fe 0,5 Cr 2 S 4 - твердые растворы на основе", Неорганические материалы , 50 (13): 1343-00, DOI : 10.1134 / s0020168514130020 , ISSN  0020-1685 , S2CID  96777069

Внешние ссылки [ править ]

  • Краткое изложение основополагающей статьи Шеррингтона / Киркпатрика
  • Статистика встречаемости термина "спин-стакан" на arxiv.org