• Keine Ergebnisse gefunden

S 1 ,S 2 ,...,S N

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Aktie "S 1 ,S 2 ,...,S N"

Copied!
5
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

13 Task Theoretical Physics VI - Statistics

13.1 (Exact solution of the Ising model in

d = 1

)

a)

Werstwantto show,thatthepartitionfunction canbewritten as:

Z N (T, B 0 ) = X

S 1 ,S 2 ,...,S N

e β P i (gµ B B 0 S i +JS i S i+1 )

= X

S 1 ,S 2 ,...,S N

τ (S 1 , S 2 ) τ (S 2 , S 3 ) . . . τ (S N , S 1 )

theHamiltonianisgivenwith

H ˆ = −J

N− 1

X

i=1

S ˆ i S ˆ i+1 − gµ B B 0 N

X

i=1

S ˆ i

Usingthedenition ofpartitionfunction ():

Z N = T r(e −βH )

= X

S 1 ,S 2 ,...,S N

e β P i (gµ B B 0 S i +JS i S i+1 )

= X

S 1 ,S 2 ,...,S N

e β(gµ B B 0 S 1 +JS 1 S 2 )+β(gµ B B 0 S 2 +JS 2 S 3 )+...+(gµ B B 0 S N +JS N S N+1 )

= X

S 1 ,S 2 ,...,S N

e β ( 1 2 gµ B B 0 (S 1 +S 2 )+JS 1 S 2 ) ( 1 2 gµ B B 0 (S 2 +S 3 )+JS 2 S 3 ) +...+ ( 1 2 gµ B B 0 (S N +S 1 )+JS N S N+1 )

Thisrearrangementwillprovetobeuseful. Nowwewanttousetheperiodic

boundarycondition

S ˆ N +1 = ˆ S 1

and wefurther denethefunction:

τ (S i , S i+1 ) = exp

β

J S i S i+1 + 1

2 gµ B B 0 (S i + S i+1 )

whichleadsusdirectlyto:

Z N = X

S 1 ,S 2 ,...,S N

e β P i (gµ B B 0 S i +JS i S i+1 )

= X

S 1 ,S 2 ,...,S N

e β ( 1 2 gµ B B 0 (S 1 +S 2 )+JS 1 S 2 ) ( 1 2 gµ B B 0 (S 2 +S 3 )+JS 2 S 3 ) +...+ ( 1 2 gµ B B 0 (S N +S 1 )+JS N S 1 )

= X

S 1 ,S 2 ,...,S N

τ (S 1 , S 2 ) τ (S 2 , S 3 ) . . . τ (S N , S 1 )

(2)

TheTransfermatixisdenedwith:

T =

τ 1 2 , 1 2

τ − 1 2 , 1 2 τ 1 2 , − 1 2

τ − 1 2 , − 1 2

thisfollowsfromthe4possiblespincombinations,whichevery

S i , S i+1

can

have.

Wearemeantto show,that

X

S i ,S j ,S k

τ (S i , S j ) τ (S j , S k ) = X

S i ,S j

T 2

S i ,S k

with

T 2

S i ,S k = P

S j τ (S i , S j ) τ (S j , S k )

. Wecansimplywrite:

X

S i ,S j ,S k

τ (S i , S j ) τ (S j , S k ) = X

S j

X

S i ,S k

τ (S i , S j ) τ (S j , S k )

= X

S i ,S j

T 2

S i ,S k

c)

Wecandenethespinstates

|S i = 1 2 i =

1 0

|S i = − 1 2 i =

0 1

andwiththoseweget:

1 2 |T | − 1

2

= 1 0

τ 1 2 , 1 2

τ 1 2 , − 1 2 τ 1 2 , − 1 2

τ − 1 2 , − 1 2 0 1

= τ 1

2 , − 1 2

orgenerally

hS i |T |S i+1 i = τ (S, S i+1 )

Thiscanbeinsertedinthepartitionfunction:

Z N = X

S 1 ,S 2 ,...,S N

τ (S 1 , S 2 ) τ (S 2 , S 3 ) . . . τ (S N , S 1 )

= X

hS 1 |T |S 2 i hS 2 |T |S 3 i . . . hS N |T |S 1 i

(3)

Z N = X

S 1

S 1 |T N |S 1

= T r T N

the trace denition. While the trace is the sum of the eigenvalues of a

matrixandthisoneis2x2wegettwodierenteigenvalues

λ 1,2

for

T

,usingthe

multiplicitythisleadsto

Z N = T r T N

= λ N 1 + λ N 2

Togettheeigenvaluesof

T

,werstwrite

T

in fullform:

T =

exp

β J 4 + 1 2 gµ B B 0

exp

β − J 4 exp

β − J 4

exp

β J 41 2B B 0

Calculatingtheeigenvalues

λ 1,2

ofthetransfermatrix

det |T − λE| = 0 =

exp

β J 4 + 1 2 gµ B B 0

− λ exp

β − J 4 exp

β − J 4

exp

β J 41 2B B 0

− λ

leadingto

0 =

exp

β J

4 − 1 2 gµ B B 0

− λ exp

β J

4 + 1 2 gµ B B 0

− λ

− exp

− J 4

0 = exp βJ

2

− λ exp

β J

4 − 1 2 gµ B B 0

− λ exp

β J

4 + 1 2 gµ B B 0

+ λ 2 − exp

− βJ 2

0 = λ 2 − λ exp βJ

4 exp

β 2 gµ B B 0

+ exp

− β 2 gµ B B 0

+ exp

βJ 2

− exp

− βJ 2

0 = λ 2 − 2 exp βJ

4

cosh β

2 gµ B B 0

λ + 2 sinh βJ

2

meaningtheeigenvaluesare:

λ 1,2 = exp βJ

4

cosh β

2 gµ B B 0

± s

exp βJ

2

cosh 2 β

2 gµ B B 0

− 2 sinh βJ

2

λ 1,2 = exp βJ

4

cosh β

2 gµ B B 0

± s

cosh 2 β

2 gµ B B 0

− 2 exp

− βJ 2

sinh

βJ 2

!

d)

We are considering the limit

λ 2

λ 1 1

which means

λ 1 λ 2

, meaningwecan

neglect

λ 2

andonlyneedtoconsider

λ 1

. Usingfromc)

(4)

Z N (T, B 0 ) = λ N 1 + λ N 2

≈ λ N 1

=

"

exp βJ

4

cosh β

2 gµ B B 0

+

s cosh 2

β 2 gµ B B 0

− 2 exp

− βJ 2

sinh

βJ 2

!# N

Denitionoffreeenergy:

F (T, B 0 ) = −k B T ln Z N (T, B 0 )

= −N J

4 ln cosh β

2 gµ B B 0

+

s cosh 2

β 2 gµ B B 0

− 2 exp

− βJ 2

sinh

βJ 2

!

Wecan look at specialcases

β → ∞

, meaning

T → 0

thereforethe expo-

nentialtermwill vanishandweget:

F (T, B 0 ) = −N J 4 ln

cosh

β 2 gµ B B 0

+ cosh

β 2 gµ B B 0

= −N J 4 ln

2 cosh

β 2 gµ B B 0

= −N J 4

ln 2 + ln

cosh β

2 gµ B B 0

Ortheotherspecialcase

B 0 → 0

,wethengetusing onlyrstorder taylor-

expansion(

cosh (x) = 1 + x 2 2 + . . .

):

Z N (T, 0) ≈

"

exp βJ

4

1 + s

1 − 2 exp

− βJ 2

sinh

βJ 2

!# N

=

"

exp βJ

4

1 + s

1 − exp

− βJ 2 exp

βJ 2

− exp

− βJ 2

!# N

=

exp βJ

4

1 + p

1 − 1 + exp (−βJ ) N

=

exp βJ

4

+ exp

− βJ 4

N

=

2 cosh βJ

4 N

andafreeenergyof

F (T, 0) = −k B T ln Z N (T, 0)

(5)

Magnetization:

M (T, B 0 ) = 1 β

∂B 0

ln Z N (T, B 0 )

= 1 β

∂B 0

ln λ N 1

= N

β 1 λ 1

∂B 0

λ 1

= N

βλ 1

exp βJ

4 ∂

∂B 0

cosh β

2 gµ B B 0

+

s cosh 2

β 2 gµ B B 0

− 2 exp

− βJ 2

sinh

βJ 2

!

CASmeaningmathematica:

M (T, B 0 ) = β

2 gµ B sinh β

2 gµ B B 0

1 + exp

βJ 4 cosh

β 2 gµ B B 0

ζ cosh

β 2 gµ B B 0

+ ζ

with

r

exp (−βJ ) + cosh 2

β 2 gµ B B 0

− 1 = ζ

. Whiletheresultof

M

seems

tobewrongweskiptheisothermalsusceptibility:

χ T (B 0 ) = ∂M

∂B 0

skipped

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

Es wäre gut, wenn Sie am Klausurtag bereits um 9.40 Uhr am Hörsaal sind, damit die Klausur pünktlih um 9.45 Uhr

 „Bilanzierung der Kooperation zwischen LVR und Historischer Geographie am GIUB zu KulaDig“ und.  „Die Unterzeichnung der Kooperationsvereinbarung zwischen LVR und GIUB

Aus einer Periode wird die Multiplikationstabelle modulo p dargestellt und mit p ver- schiedenen Farben codiert und im Quadratraster visualisiert... Wir haben

Im Beispiel der Abbildung 3 besteht jede der vier Stützwände zuäußerst aus 5 grauen Würfeln, dann folgen 3 graue Würfel und zuinnerst ist noch ein grauer Würfel..

In der Abbildung 3b sind vier solche Stapel in einem Quadrat der Seitenlänge

Könnten wir die Typen für alle Variablen-Vorkommen raten, ließe sich mithilfe der Regeln überprüfen, dass unsere Wahl korrekt war :-). Wie raten wir die Typen der Variablen ???.. , x

Für eine Funktion f müssen wir Code erzeugen, die einen funktionalen Wert für f in der Halde anlegt..

[r]