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伊辛模型的研究进展简介 伊辛模型的研究进展简介 Pr ogress Chinese Journal of N ature  Vol . 30No . 2 伊辛模型的研究进展简介 教授, 中国科学院金属研究所, 中国科学院国际材料物理中心, 沈阳材料科学国家(联合) 实验室, 沈阳110016 关键词 伊辛模型 精确解 三维 临界现象 猜想 本文首先简单地介绍了伊辛(Is in g ) 模型及其应用的范围、二维伊辛模型精确解的求解过程、三维伊辛模型精 确解所面临的困难。然后回顾并总结了人们用分子场理论及其改进理论、高温级数展开、低温级数展开、重整化群理论、蒙特?卡罗模拟等近似计算三维伊辛模型的物理性质和临界指数的研究进展。最后, 交晶格伊辛模型的猜想以及推定的精确解。 1伊辛模型简介 伊辛(Ising ) [1] 个自旋排成一排, 每个自旋与其左相互作用。简单起见, 我们仅考虑倾向于使近邻自旋的方向一致的相互作用。二维正方伊辛模型就是有N 个相同的自旋排, 每个自旋不但与其左右两个最近邻的自旋手拉手, 而且与前后相邻的自旋排中的两个最近邻的自旋手拉手, 构成了一个二维的自旋阵列。三维立方伊辛模型就是有L 个相同的二维自旋阵列, 每个自旋与其左右、前后、。可以看出, , 每个自旋的最近邻自旋数增加, 与周围自旋的相互作用也在增强。 由于相互作用倾向于使近邻自旋的方向一致, 所以在绝对零度时, 系统的基态是铁磁态, 所有自旋的取向完全一致。有两个可能, 都是向上或都是向下。一旦选定了向上, 就大家一起向上, 非常有序。如升高温度T, 温度将要对这种有序的状态进行扰动, 某一个自旋可能就会挣脱其他自旋对它的相互作用的束缚, 而变成向下。这个调皮的自旋可能又会影响其他自旋的取向, 从, 在什么温度下, 系统从有序态变成无序态。这个温度就是我们关心的相变的临界温度。在统计物理中有一套标准的程序 , 理世界的原则, 还可, 如合金中的有序无序转变、液氦到超流态的转变、液体的冻结和蒸发、晶格气体、玻璃物质的性质、森林火灾、城市交通、蛋白质分子进入它们的活性形式的折叠等。科学家对伊辛模型的广泛兴趣还源于它是描述相互作用的粒子(或自旋) 最简单的模型。它可以用来测试研究相互作用的粒子在多体系统(特别是理解在临界点及其附近的合作现象和临界行为) 任何近似方法的理想工具。进一步说, 三维伊辛模型可以研究从无限大温度到绝对零度相互作用的粒子(或自旋) 系统的演变过程, 如果将热力学中的温度做为动力学中时间来考量, 它不仅可以理解热力学平衡的无限系统如一个磁铁, 还可以帮助理解我们的宇宙。另外, 平衡相变的理论可以用来研究连续的量子相变、基本粒子的超弦理论、在动力学系统到混沌的转变、系统偏离平衡的长时间行为和动力学临界行为等。由于伊辛模型中的粒子(或自旋) 具有两种可能的状态(自旋向上或向下) , 它实际上可以对应黑白、上下、左右、前后、对错、是非、满空、正负、阴阳……所以, 原则上伊辛模型可以描述所有具有两种可能的状态的多体系统, 描述两种极端条件间的相互竞争。 伊辛模型是一个非常简单的模型 , 从系统的哈密顿量H 出发, 写出其配分函数。配 分函数就是对系统的所有可能不同状态根据哈密顿量 H 写下波尔兹曼权重的指数函数exp (-H /k B T ) , 并对 所有的可能状态的值求和。一个状态在温度T 下出现 , 在一维、二维 的可能性正比于该状态的指数函数exp (-H /k B T ) 除以配分函数。其中需要对写下所有可能状态的波尔兹曼权重的矩阵对角化求能量本征值。对大型复杂矩阵的对角化是一个难点。然后事情就变得非常简单, 根据 或三维的每个格点上占据一个自旋。自旋是电子的一个内禀的性质, 每个自旋在空间有两个量子化的方向, 即其指向可以向上或向下。尽管伊辛模型是一个最简 自然杂志 30卷2期 场理论是四维及四维以上空间伊辛模型的精确解。平均场理论的精神就是将一个自旋周围的所有自旋对它的作用平均成一个有效磁场。在最紧邻伊辛模型中仅考虑最紧邻自旋之间的相互作用, 但由于所有的自旋均与其最紧邻手拉手, 某个自旋的指向不仅受到其最紧邻自旋的影响, 由于自旋的关联作用还受到其他所有自旋 (甚至无限远处的自旋) 的影响。平均场理论实际上忽 热力学统计物理的标准手续从配分函数就立即得到系统的自由能, 对自由能进行微分立即得到磁化强度、比热、磁化率等物理性质。所以, 问题的关键在于求出系统的配分函数。而写出系统的所有可能不同状态又成为一个难点。 如果一个自

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