• Keine Ergebnisse gefunden

5.4Ginzburg-LandauTheorie 5.3.Landau-Theorie 5.2Nicht-wechselwirkendeSpins 5.1Molekularfeldn¨aherungf¨urdasIsingSpin-1/2System 5.Molekularfeldn¨aherung

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Aktie "5.4Ginzburg-LandauTheorie 5.3.Landau-Theorie 5.2Nicht-wechselwirkendeSpins 5.1Molekularfeldn¨aherungf¨urdasIsingSpin-1/2System 5.Molekularfeldn¨aherung"

Copied!
25
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

5. Molekularfeldn¨ aherung

1 5.1 Molekularfeldn¨ aherung f¨ ur das Ising Spin-1/2 System

2 5.2 Nicht-wechselwirkende Spins

3 5.3. Landau-Theorie

4 5.4 Ginzburg-Landau Theorie

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 5 30. November 2012 1 / 25

(2)

5.1 Molekularfeldn¨aherung f¨ur das Ising Spin-1/2 System

5.1 Molekularfeldn¨ aherung f¨ ur das Ising Spin-1/2 System

gegeben:

Ising Spin-1/2 System (d.h., m¨ ogliche Spineinstellungen s

i

= ±1) N Spins, Temperatur T , ¨ außeres Feld H, Kopplungsst¨ arke J

es wird nur die Wechselwirkung zwischen benachbarten Spins ber¨ ucksichtigt Dimension und Geometrie des Systems sind nicht spezifiziert

die Hamilton-Funktion des Systems ist gegeben durch H = −J X

hi,ji

s

i

s

j

− H

N

X

i=1

s

i

die s

i

bezeichnen die Spins an den Orten i , die Notation h· · · i schr¨ ankt die Summe im Mehrteilchenwechselwirkungsterm auf n¨ achste Nachbarn ein

die Summanden im ersten Term lassen sich folgendermaßen schreiben s

i

s

j

= s

i

hs

j

i + hs

i

is

j

− hs

i

ihs

j

i + (s

i

− hs

i

i) (s

j

− hs

j

i)

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 5 30. November 2012 2 / 25

(3)

5.1 Molekularfeldn¨aherung f¨ur das Ising Spin-1/2 System

dabei sind die hs

i

i die Ensemblemittelwerte der Spineinstellungen s

i

ist das System translationsinvariant (und gelten periodische Randbedingungen), dann gilt hs

i

i = hs

j

i = hs i

somit erh¨ alt man X

hi,ji

s

i

s

j

= hsi X

hi,ji

s

i

+ hsi X

hi,ji

s

j

− hsi

2

X

hi,ji

1 + X

hi,ji

(s

i

− hs

i

i) (s

j

− hs

j

i)

der letzte Termin, der die Korrelationen zwischen zwei Spins ber¨ ucksichtigt, wird in der Folge vernachl¨ assigt (Molekularfeldn¨ aherung; ’mean field approximation’)

somit erh¨ alt man die Hamilton-Funktion in der Molekularfeldn¨ aherung, H

MF

, H

MF

= −Jzhsi2 1

2

N

X

i=1

s

i

+ JN

2 zhs i

2

− H

N

X

i=1

s

i

= −[Jzhsi + H]

N

X

i=1

s

i

+ JN 2 zhsi

2

bzw. das Molekularfeld, H

MF

,

H

MF

= JZ hsi

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 5 30. November 2012 3 / 25

(4)

5.1 Molekularfeldn¨aherung f¨ur das Ising Spin-1/2 System

z gibt die Zahl der n¨ achsten Nachbarn an; dieser Parameter ber¨ ucksichtigt teilweise die Dimension und die Geometrie des Systems

Berechnung der Thermodynamik (in der MF-N¨ aherung) Z

N

(H, T ) = X

s1=±1

· · · X

sN=±1

exp[−βH

MF

] = · · · =

= exp[−βNJzhsi

2

/2] {2 cosh [β(H + H

MF

)]}

N

somit

G

N

(H, T ) = −k

B

T ln Z

N

= 1

2 NJz hsi

2

− k

B

TN ln {2 cosh [β(H + H

MF

)]}

mit

G = lim

N→∞

G

N

bzw. g = lim

N→∞

G

N

N Zustandsgleichung:

(i)

M

N

= − ∂G

N

∂H

T

= · · · = N tanh [β(H + H

MF

)]

(ii)

M

N

= Nhsi = Nm (wobei hsi → m) also

m = tanh [β(H + H

MF

)] = tanh [β(H + Jzm)]

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 5 30. November 2012 4 / 25

(5)

5.1 Molekularfeldn¨aherung f¨ur das Ising Spin-1/2 System

Phasendiagramm, kritisches Verhalten, Thermodynamik:

Phasendiagramm (bei H = 0) L¨ osung der Gleichung

m = tanh(βJzm)

kann nicht analytisch durchgef¨ uhrt werden (daher z.B. graphische L¨ osung erforderlich)

es ergibt sich eine kritische Temperatur bei k

B

T

c

= Jz Magnetisierung m bei T ∼ T

c

da m klein ist, gilt

m = tanh(βJZm) = tanh(T

c

/T ) ∼ T

c

T m − 1 3

T

c

T m

3

+ · · ·

◦ T > T

c

: L¨ osung m = 0

◦ T < T

c

: L¨ osungen:

(i) m = 0 (ii), (iii) m = ± √

3

Tc−T

Tc

1/2

= ± √ 3(−τ)

1/2

L¨ osung (i) hat eine h¨ ohere Energie als L¨ osungen (ii) und (iii), daher:

m ∼ ± √

3(−τ)

1/2

∼ (−τ )

1/2

β = 1/2 (kritischer Exponent) vergleiche van der Waals Gas: bei τ → 0 war |%

fl

− %

g

| ∼ (−τ)

1/2

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 5 30. November 2012 5 / 25

(6)

5.1 Molekularfeldn¨aherung f¨ur das Ising Spin-1/2 System

H bei T ∼ T

c

(also τ klein); weiters sei H klein somit folgt aus

m = tanh

βH + T

c

T m die Relation

βH ∼ mτ + 1 3 m

3

bzw. bei τ → 0

H ∼ m

3

δ = 3 vergleiche van der Waals-Gas: bei τ → 0 war π ∼ ω

3

isotherme Suszeptibilit¨ at χ

T

bei T ∼ T

c

χ

T

= ∂M

∂H

T

∼ ∂ m

∂H

T

mit Hilfe obiger Relation f¨ ur H folgt:

∂H H

k

B

T

c

∼ ∂

∂H

τm + 1

3 m

3

+ · · · 1

k

B

T

c

∼ τ χ

T

+ m

2

χ

T

also χ

T

∼ 1 k

B

T

c

1 τ + m

2

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 5 30. November 2012 6 / 25

(7)

5.1 Molekularfeldn¨aherung f¨ur das Ising Spin-1/2 System

◦ T > T

c

:

χ

T

∼ 1

k

B

T

c

1

τ + 0 ∼ 1

k

B

1 1(T − T

c

)

1

◦ T < T

c

:

χ

T

∼ 1

k

B

T

c

"

T − T

c

T

c

+ 3

− T − T

c

T

c

| {z }

da m2∼−3τ

#

−1

= 1 k

B

1 2(T

c

− T )

1

kritische Exponenten γ = γ

0

= 1; Verh¨ altnis der Vorfaktoren 1:2 vergleiche van der Waals-Gas: bei τ → 0 war κ

T

∼ (−τ )

−1

thermodynamische Potentiale

g (H, T ) = G

N

(H, T )

N = 1

2 Jzm

2

− k

B

T ln h

2 cosh

β(H + Jzm)

| {z }

βHTc/Tm

i

= · · · =

= 1

2 Jzm

2

− k

B

T ln 2 + k

B

T

2 ln(1 − m

2

)

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 5 30. November 2012 7 / 25

(8)

5.1 Molekularfeldn¨aherung f¨ur das Ising Spin-1/2 System

Legendre-Transformation von G auf A (bzw. von g auf a) a(M, T ) = A

N

(M, T )

N = 1

N [G

N

(H, T ) + HM] = g (H, T ) + Hm

= 1

2 Jz

|{z}

kBTc

m

2

− k

B

T ln 2 + k

B

T

2 ln(1 − m

2

) + m

−k

B

T

c

m + k

B

T 2 ln

1 + m 1 − m

der letzte Term entspricht H; man erh¨ alt ihn, indem man die Zustandsgleichung nach H aufl¨ ost

somit

a(M, T ) = − 1

2 k

B

T

c

m

2

− k

B

T ln 2

| {z }

(i)

+ k

B

T 1

2 ln(1 − m

2

)

| {z }

(ii)

+ k

B

T 2 m ln

1 − m 1 + m

| {z }

(ii)

(i) konstanter, m-unabh¨ angiger Term (ii) Terme werden f¨ ur kleine m entwickelt schließlich erh¨ alt man

a(M, T ) + k

B

T ln 2 ∼ 1

2 k

B

(T − T

c

)m

2

+ k

B

Tm

4

1 12

| {z }

>0 !

+ · · ·

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 5 30. November 2012 8 / 25

(9)

5.2 Nicht-wechselwirkende Spins

5.2 Nicht-wechselwirkende Spins

Sei die Hamilton-Funktion des Systems (N Spins S

i

, ¨ außeres Feld H) gegeben durch H = −g µ

B

N

X

i=1

S

i

H Bemerkungen:

g ist der gyromagnetische Faktor, µ

B

ist das Bohr-Magneton das Skalarprodukt S

i

H kann die Werte m

i

H annehmen, wobei m

i

= −S, −S + 1, · · · , S − 1, S

die S

i

werden oft durch die J

i

(Bahndrehimpulse) ersetzt dann ist

Z

N

(H, T ) =

S

X

m1=−S

· · ·

S

X

mN=−S

exp

"

βHgµ

B N

X

i=1

S

i

H

#

= · · · = ( sinh

S +

12

βgµ

B

H sinh

1

2

βg µ

B

H )

N

Bemerkung:

f¨ ur S = 1/2 geht diese Formel in

Z

N

(H, T ) = [2 cosh(βgµ

B

H/2)]

N

¨ uber

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 5 30. November 2012 9 / 25

(10)

5.2 Nicht-wechselwirkende Spins

daher:

G

N

(H, T ) = −k

B

T ln Z

N

= −k

B

TN ln ( sinh

S +

12

βg µ

B

H sinh

1

2

βgµ

B

H )

M

N

(H, T ) = − ∂ G

∂ H

T

= Nk

B

T ∂

∂H ln Z

N

= NSg µ

B

B

S

(βSgµ

B

H) wobei

B

S

(x ) = 2S + 1 2S coth

2S + 1 2S x

− 1 2S coth

1 2S x

B

1/2

= tanh

x 2

die Brillouin-Funktion ist; sie geht f¨ ur S → ∞ in die Langevin-Funktion ¨ uber

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 10 / 25

(11)

5.3. Landau-Theorie

5.3 Landau-Theorie

Grundlagen Annahme:

Entwicklung der thermodynamischen Potentiale in Potenzreihen nahe dem kritischen Punkt (dort ist der Ordnungsparameter M klein und die Abweichung der Temperatur T von der kritischen Temperatur T

c

klein)

Ansatz:

Taylor-Entwicklung des thermodynamischen Potentials in Potenzen des Ordnungsparrameters, unter Ausn¨ utzung der Symmetrie

A(M, T ) ∼ A

0

(T ) + A

2

(T )M

2

+ A

4

(T )M

4

+ A

6

(T )M

6

+ · · ·

wobei die Koeffizienten A

i

(T ) ebenfalls in Taylor-Reihen bez¨ uglich der Temperatur entwickelt werden:

A

2

(T ) ∼ A

2,0

+ A

2,1

(T − T

c

) + · · · A

4

(T ) ∼ A

4,0

+ A

4,1

(T − T

c

) + · · ·

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 11 / 25

(12)

5.3. Landau-Theorie

mit

H = ∂A

∂M

T

=

2A

2

+ 4A

4

M

2

+ · · · M (χ

T

)

−1

=

2

A

∂M

2

T

= 2A

2

+ 12A

4

M

2

+ · · ·

da in der N¨ ahe des kritischen Punktes (also bei T → T

c

) χ

T

divergiert, d.h.

T→T

lim

c

T

)

−1

= 0 folgt A

2

(T

c

) = A

2,0

= 0

somit ist die Suszeptibilit¨ at in der N¨ ahe des kritischen Punktes gegeben durch (χ

T

)

−1

∼ 2A

2,1

(T − T

c

) + 12 [A

4,0

+ A

4,1

(T − T

c

) + · · · ] M

2

+ · · · Kr¨ ummung von A(M, T ):

Phasen¨ ubergang 1. Ordnung

Doppeltangente (vgl. Maxwell-Konstruktion) Phasen¨ ubergang 2. Ordnung

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 12 / 25

(13)

5.3. Landau-Theorie

Kritisches Verhalten des Landau-Modells:

(a) M f¨ ur H = 0

ist T < T

c

, dann ist M 6= 0; da H = 0, folgt aus obiger Relation f¨ ur H M

2

− A

2

A

4

∼ − A

2,1

(T − T

c

) 2A

4,0

bzw. M ∼ s

A

2,1

2A

4,0

(−τ)

1/2

wobei β = 1/2 jener kritische Exponent ist, der angibt, wie der

Ordnungsparameter in der N¨ ahe des kritischen Punktes verschwindet (b) Suszeptibilit¨ at χ

T

in der N¨ ahe des kritischen Punktes

◦ T > T

c

: hier ist M = 0

T

)

−1

∼ 2A

2

∼ 2A

2,1

(T − T

c

) + · · · bzw. χ

T

∼ τ

−1

wobei γ = 1 jener kritische Exponent ist, der angibt, wie die Suszeptibilit¨ at oberhalb der kritischen Temperatur divergiert

◦ T < T

c

: hier ist M 6= 0 wegen M ∼ p

A

2,1

/2A

4,0

(T

c

− T)

1/2

gilt

T

)

−1

∼ 2A

2,1

(T − T

c

) + 12(A

4,0

+ · · · ) M

2

|{z}

A2,1 2A4,0(Tc−T)

+ · · ·

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 13 / 25

(14)

5.3. Landau-Theorie

somit gilt

T

)

−1

∼ 4A

2,1

(T − T

c

) + · · · bzw. χ

T

∼ (−τ)

−1

wobei γ

0

= 1 jener kritische Exponent ist, der angibt, wie die Suszeptibilit¨ at unterhalb der kritischen Temperatur divergiert

(c) Abh¨ angigkeit von H und M in der N¨ ahe des kritischen Punktes

H = ∂A

∂M

T

=

= h

2A

2

+ 4A

4

M

2

+ · · · i M ∼ h

2A

2,1

(T − T

c

) + 4A

4,0

M

2

+ · · · i M bzw. lim

T→Tc

H = M

3

wobei δ = 3 jener kritische Exponent ist, der einen Zusammenhang zwischen der Magnetisierung M und dem Feld H in der N¨ ahe des kritischen Punktes herstellt Kritikpunkte der Landau-Theorie:

divergente Beitr¨ age zur Entwicklung z.B. Ising-Modell in 2D, H = 0:

A(H = 0, T ) ∼ A(0, T

c

) + a(T − T

c

) + b(T − T

c

)

2

ln(T − T

c

) + · · ·

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 14 / 25

(15)

5.3. Landau-Theorie

die kritischen Exponenten des Landau-Modells sind die s.g. klassischen kritischen Exponenten; sie sind also falsch

Positive Aspekte der Landau-Theorie:

setzt man zum Beispiel A

4,0

= 0 aber A

6,0

6= 0, dann erh¨ alt man f¨ ur die kritischen Exponenten

β = 1/4 δ = 5 γ = γ

0

= 1 damit kann Trikritikalit¨ at beschrieben werden

’Manipulation’ von kritischen Exponenten Verallgemeinerung der Relation

A

2

(T ) = A

2,0

|{z}

=0

+A

2,1

(T − T

c

)

1(=γ0)

+ · · · f¨ uhrt zu

A ¯

2

(T ) = ¯ A

2,1

(T − T

c

)

γ0

+ · · ·

wobei der Wert von γ

0

noch nicht spezifiert ist und, zum Beispiel, an ein Modell angepasst werden kann; dann folgt (ohne Beweis)

χ

−1T

= 2A

2,1

|T − T

c

|

γ0

M = s

A

2,1

2A

4,0

|T − T

c

|

γ0/2

also β = γ

0

/2 und δ = 3

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 15 / 25

(16)

5.3. Landau-Theorie

die Relation

H = ∂A

∂M

T

= 2A

2,1

(T − T

c

)M + 4A

4,0

M

3

+ · · ·

= (2A

2,1

T

c

)τ M + 4A

4,0

M

3

verkn¨ upft τ , H, und M; durch Division dieser Gleichung durch |τ|

3/2

folgt H

|τ |

3/2

= ±(2A

2,1

T

c

) M

|τ|

1/2

+ 4A

4,0

M

|τ|

1/2

3

diese Relation verkn¨ upft die Skalenvariablen (’scaling variables’) H ˜ = H

|τ |

3/2

M ˜ = M

|τ|

1/2

somit hat die Zustandsgleichung in diesen Skalenvariablen folgende Gestalt H ˜ = ±α M ˜ + β M ˜

3

es tritt also kein τ (und somit keine Temperatur) mehr auf Frage: wie verhalten sich ˜ H und ˜ M wenn τ → 0

Antwort: Skalenhypothese von Widom (Kapitel 7)

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 16 / 25

(17)

5.4 Ginzburg-Landau Theorie

5.4 Ginzburg-Landau Theorie

Bemerkungen:

ph¨ anomenologische Theorie, die mit makro- und mesokopischen Gr¨ oßen arbeitet und mikroskopische Gr¨ oßen vermeidet

soll in der N¨ ahe des kritischen Punktes g¨ ultig sein:

daher sind τ ∼ (T − T

c

) und der Ordnungsparameter klein sie stellt einen intuitiven Zugang dar

Beispiel: Ising Modell

s

i

→ m(r) = 1 N

c

a

d0

X

i

g(r − r

i

)s

i

wobei m(r) die lokale Magnetisierung und g(x) eine geeignete Mittelungsfunktion ist a

0

· · · Gitterkonstante

a

x

· · · lineare Abmessung der Mittelungszelle L · · · makroskopische Dimension des Systems mit a

0

a

x

L

d · · · Dimension des Systems

N

c

· · · Zahl der Spins in der Mittelungszelle

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 17 / 25

(18)

5.4 Ginzburg-Landau Theorie

Folgen:

alle Fluktuationen mit Wellenl¨ angen kleiner als a

x

werden unterdr¨ uckt Fourier-Komponenten mit Wellenzahlen gr¨ oßer als Λ ∼ 1/a

x

werden nicht ber¨ ucksichtigt

Ginzburg-Landau Funktional: an Stelle von

A(M, T ) = A

0

(T ) + A

2

(T )M

2

+ A

4

(T )M

4

+ · · · G (H, T ) = A

0

(T ) + A

2

(T )M

2

+ A

4

(T )M

4

+ · · · − HM verwendet man nunmehr folgenden Ansatz [unter Annahme der Symmetrie m(x) → −m(x)] f¨ ur das Ginzburg-Landau Funktional F[m]

F [m] = Z

d

d

x

|{z}

dx

a(T )m

2

(x) + b

2 m

4

(x) + · · · + c [∇m(x)]

2

+ · · · − H(x)m(x)

mit a(T ) = a

0

(T − T

c

) (vgl. Landau-Theorie) weiters gilt dann:

Q(H, T ) ∝ Z

D[m] exp {−βF[m]}

G (H, T ) = −k

B

T ln Q(H, T )

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 18 / 25

(19)

5.4 Ginzburg-Landau Theorie

Bemerkungen:

D[m] bezeichnet die funktionale Integration

eine Verallgemeinerung des Konzepts von m(x) (∈ R ; entspricht z.B. dem

Ising-Modell) auf m(x) (∈ R

d

; entspricht z.B. dem Heisenberg-Modell) ist m¨ oglich die Form des Ginzburg-Landau Funktionals ist sehr allgemein; es l¨ aßt sich f¨ ur verschiedene Formen von Phasen¨ uberg¨ angen aufstellen

keine mikroskopische Herleitung notwendig M¨ oglichkeiten der Auswertung des Funktionals:

(a) Ginzburg-Landau N¨ aherung

die wahrscheinlichste Konfiguration von m(x) ist durch den ’station¨ aren’ Zustand gegeben, also ’bei’

δF

δm (x) = 2 h

a + bm

2

(x) − c∇

2

i

m(x) − H(x) = 0

wobei das Minus im Gradiententerm durch den Oberfl¨ achenterm zustande kommt im Funktionalintegral wird dann der Integrand durch jenes m(x) ersetzt, das dem

’statischen’ Zustand entspricht

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 19 / 25

(20)

5.4 Ginzburg-Landau Theorie

(b) Gauß-N¨ aherung Annahmen:

◦ im Fuktional werden alle Terme bis zur zweiten Ordnung in m(x) ber¨ ucksichtigt;

daher muß a > 0 bzw. τ > 0 sein

◦ H = 0

m(x) wird in Fourier-Komponenten zerlegt (’BZ’ bezeichnet die Brillouin-Zone) m(x) = 1

L

d/2

X

k∈BZ

m

k

exp(i kx) mit m

?k

= −m

k

dann ist

Z

dx m

2

(x) = X

k

a m

k

m

−k

Z

d xc [∇m(x)]

2

= X

k

c k

2

m

k

m

−k

somit erh¨ alt man f¨ ur F[m]

F [m] = Z

d x h

a m

2

(x) + c [∇m(x)]

2

i

= X

k

a + ck

2

m

k

m

−k

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 20 / 25

(21)

5.4 Ginzburg-Landau Theorie

ist L groß, dann kann man den Kontinuumslimit durchf¨ uhren (mit k =

L

n) m(x) = 1

L

d/2

X

k∈BZ

m

k

exp(i kx) → m(x) = 1 V

X

k∈BZ

m

k

exp(ikx)

→ 1

(2π)

d

Z

|k|<Λ

dk m

k

exp(ikx) wobei Λ der Radius der Brillouin-Kugel ist

daher l¨ aßt sich die funktionale Integration durch eine Integration ¨ uber die Fourier-Komponenten m

k

ersetzen

Z

D[m] · · · → Π

|k|<Λ

Z

dm

k

· · · wobei die m

k

∈ C

f¨ ur die Zustandssumme Q (H = 0, T ) ergibt sich somit Q(H = 0, T ) =

Z

D[m] exp {−βF[m]} = Π

|k|<Λ

Z

dm

k

exp {−βF [m]}

| {z }

Πkexp[−β(a+ck2)mkm−k]

h¨ alt man k fest, so gilt (f¨ ur den allgemeinen Fall, daß m(x) ∈ R

n

) Z

dm

k

exp[−β(a + ck

2

)m

k

m

−k

] = · · · ∝

r π β(a + ck

2

)

n

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 21 / 25

(22)

5.4 Ginzburg-Landau Theorie

insgesamt erh¨ alt man:

Q(H = 0, T ) ∝ Π

|k|<Λ

π β(a + ck

2

)

n/2

G (H = 0, T ) = G

0

− k

B

T n 2

X

|k|<Λ

ln π

β(a + ck

2

)

Berechnung der spezifischen W¨ arme (in d Dimensionen)

c

H=0

= C

H=0

V = −T

2

G

∂T

2

H=0

1

L

d

= · · · = k

B

n 2 (Ta

0

)

2

1

L

d

X

|k|<Λ

1

(a + ck

2

)

2

+ · · ·

|{z}

Lgross

k

B

n 2 (Ta

0

)

2

Z

|k|<Λ

dk (2π)

d

1

(a + ck

2

)

2

+ · · · nun wird die Korrelationsl¨ ange ξ ¨ uber

ξ = r c

a = r c

a

0

1 (T − T

c

)

1/2

eingef¨ uhrt, die offensichtlich bei T = T

c

divergiert

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 22 / 25

(23)

5.4 Ginzburg-Landau Theorie

mit q = kξ erh¨ alt man dann

c

H=0

= k

B

n 2 (Ta

0

)

2

Z

q<Λξ

dq 1 (2π)

d

1 ξ

d

1 (1 + q

2

)

2

1 a

2

|{z}

ξ4 c2

= ξ

4−d

"

k

B

n 2

Ta

0

c

2

Z

q<Λξ

dq 1 (2π)

d

1 (1 + q

2

)

2

#

∝ ξ

4−d

A

wobei sowohl ξ als auch die Amplitude A bei T

c

divergieren k¨ onnen in der Folge werden Integrale der Form

1 (2π)

d

Z

d qf (q

2

) =

Z d Ω

d

(2π)

d

| {z } [

2(d−1)πd/2Γ(d/2)

]

−1

Z

dq q

d−1

f (q

2

)

f¨ ur verschiedene Dimensionen d betrachtet, wobei wir nur an einem m¨ oglichen singul¨ aren Verhalten der Integrale interessiert sind

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 23 / 25

(24)

5.4 Ginzburg-Landau Theorie

(a) d < 4

Z

Λξ 0

dq q

d−1

1

(1 + q

2

)

2

= · · · = endl. + O(Λξ)

d−4

das Integral konvergiert f¨ ur Λ → ∞

(b) d = 4

Z

Λξ 0

dq q

3

1

(1 + q

2

)

2

= · · · ∼ ln Λξ das Integral divergiert f¨ ur Λ → ∞

(c) d > 4

Z

Λξ 0

dq q

d−1

1

(1 + q

2

)

2

= · · · = −A

1

+ A

2

(Λξ)

d−4

das Ergebnis des Integrals zeigt Potenzverhalten in Λ f¨ ur Λ → ∞

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 24 / 25

(25)

5.4 Ginzburg-Landau Theorie

schließlich erh¨ alt man mit c

H=0

= ξ

4−d

A

c

H=0sing

 

 

 

 

 

 

ξ

4−d

A = A(T − T

C

)

4−d2

divergent d < 4

1 · ln(Λξ) ∼ ln(T − T

c

) d = 4

ξ

4−d

−A

1

+ A

2

(Λξ)

d−4

∼ A

2

+ A

1

(T − T

c

)

d−42 0

cusp

0

d > 4

G. Kahl (Institut f¨ur Theoretische Physik) Phasen¨uberg¨ange und kritische Ph¨anomene – Kapitel 530. November 2012 25 / 25

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

Kahl (Institut f¨ ur Theoretische Physik) Phasen¨ uberg¨ ange und kritische Ph¨ anomene – Kapitel 1 11... “The world would indeed be a dull place if there were not distinction

Gegen¨ uberstellung der Phasen¨ uberg¨ ange eines Ferromagneten und einer Fl¨ ussigkeit.

Kahl (Institut f¨ ur Theoretische Physik) Phasen¨ uberg¨ ange und kritische Ph¨ anomene – Kapitel 3 16... Kahl (Institut f¨ ur Theoretische Physik) Phasen¨ uberg¨ ange und

Kahl (Institut f¨ ur Theoretische Physik) Phasen¨ uberg¨ ange und kritische Ph¨ anomene – Erg¨ anzung 5... Kahl (Institut f¨ ur Theoretische Physik) Phasen¨ uberg¨ ange

Man stellt sich jetzt vor, dass das Feld auch vorhanden ist, wenn es nicht durch eine Probeladung getestet wird.. Das Problem der Fernwirkung ist damit in zwei Teile zerlegt worden:

INSTITUT F¨ UR THEORETISCHE PHYSIK. TECHNISCHE UNIVERSIT¨

Using the most attractive potential from [14, 15] in a Schr¨ odinger equation for the ¯ b quarks results in a bound state with binding energy.. E bind = 93 +43

Nat¨ urlich stellt sich die Frage warum dieser Effekt beim Arbeiten mit string-like trial states nicht auftritt, obwohl auch ein periodisches Gitter verwendet wird.. Die Antwort