其中 ,它与磁化强度的方差相互联系。
3 该系统的预期行为自由能满足: 其中 。
当自由能F最小时,该系统接近平衡。
在低温条件下,自旋之间的相互作用会加强,并且自旋会趋向于排列整齐。在这种情况下,根据公式其磁化强度达到它的最大值|M|=1,即使没有外部磁场的存在,磁化仍会存在。
在高温条件下,该相互作用会减弱,自旋是随机向上或者向下的。所以,磁化强度的值接近为M=0。几种构型搭配:该系统处于亚稳定状态。
在一个特定的温度下,磁化会消失。
存在着这样一个过渡过程。在无外部磁场的情况下,该临界温度被称为居里温度 (由昂萨格的理论得到)。根据过渡阶段理论,在过渡阶段自由能在B和T中的二阶导数是不连续的;作为用它们的导数表示的热容量(Heat capacity)和磁化率(Susceptibility),它们应该是在临界温度处发散。
4 蒙特·卡罗模拟方法
N2点阵在低温下随着自旋趋向于对齐或在高温下用随机值(0.5或-0.5)来进行初始化。然后,给定温度下的演化是在确保一个玻尔兹曼分布的条件下通过使用Metropolis算法来实现的,即该系统在 组态的概率由下式给出:其中 。
蒙特·卡罗方法包括随机地选择一个晶格内自旋翻转。如果选择的自旋是有利于能量(能量减小),则进行翻转;但系统也会以一定的概率像不利于能量(能量增大)的状态演化,该概率由温度T来确定。否则系统会比较规则地沿着有利于能量(能量减小)的方向演化,系统趋向于相对有序。该系统有 中组态,Metropolis算法允许未测试每个组态来达到平衡。波尔兹曼分布使熵值最大化,因此它降低了自由能。文献综述
当能量趋于稳定时,该系统到达了平衡状态。然后,若干组态由Metropolis算法来确定,以确定所关注的热容量和磁化率的值。在磁场的存在下,自旋将会与磁场相对齐。
以温度作为横坐标的程序模拟流程为:
(1)生成一个合适大小的二维点阵N2;
(2)生成所构造点阵的最近邻近列表;
(3)二维点阵N2随机填充0.5或-0.5的值;
(4)确定所扫描的温度范围[tlow,thigh]以及温度扫描间隔dt,从tlow开始计算;
(5)选择一个随机的位置翻转自旋,并计算翻转后的能量差。若翻转降低总能量,则无条件接受新的自旋;否则,则以一定的概率接受使总能量增大的自旋状态;
(6)当自旋状态趋于稳定后,则计算并记录在此温度T下的点阵能量(Energy)、热容量(Heat capacity)、磁矩(Magnetic moment)和磁化率(Susceptibility);
(7)重复第(4)步,进行温度范围内所有温度的计算;
(8)重复计算x次(实验中x=10),计算其平均值,并作图。