next up previous
Következő: A 15.27 feladat megoldása Fel: megoldások Előző A 15.25 feladat megoldása

A 15.26 feladat megoldása

  Vizsgáljuk a legközelebbi szomszéd kölcsönhatású, 1/2 spinű, kvantumos Heisenberg-ferromágnest, köbös racson, amelynek Hamilton-operátora:
displaymath17548
ahol J>0, tex2html_wrap_inline17552 a három Pauli-mátrixból összeállított vektor, és az tex2html_wrap_inline16614 összegzés a rácspontokra, az tex2html_wrap_inline17502 összegzes pedig az tex2html_wrap_inline16614 rácspont legközelebbi szomszédaira torténik.

A rendszer alapállapotában az összes spin ugyanabba az iranyba mutat
displaymath17560
és az alapállapot energiája tex2html_wrap_inline17562 (N a rácspontok száma.) Megmutatható, hogy a legalacsonyabb energiájú gerjesztések (magnonok) egy spin transzlációinvariáns megfordításában kölönböznek az alapállapottól, vagyis
displaymath17566
ahol tex2html_wrap_inline17568. A megfelelő gerjesztési energia:
displaymath17570

displaymath17572
Alacsony hőmérsékleten a spektrumnak csak a tex2html_wrap_inline17532 része gerjesztődik tex2html_wrap_inline17576, tehat
displaymath17578
Látható, hogy egy magnon energiája egy tex2html_wrap_inline17580 tömegű tex2html_wrap_inline17582 sebességgel szabadon mozgo részecske energiájával egyezik meg.

A több magnont tartalmazó
displaymath17584
állapotok az energiaoperátor közelítő sajátallapotai:
 equation7190
ahol a közelítés abban áll, hogy elhanyagoltunk n/N nagyságrendű tagokat. Tehát amíg kevés magnon gerjesztődik, (elég alacsony hőmérsékleten vagyunk!) a közelítés jó. Az (36) egyenletből láthato, hogy n számú magnon energiája n független magnon energiájának összege, tehát alacsony hőmérsékleten a rendszer termodinamikai viselkedését egy `` ideális magnongáz'' tulajdonságaiból származtathatjuk. Előbb azonban meg kell határoznunk a magnonok statisztikáját. A magnont keltő , ill. eltűntető operátorok kommutátorat könnyű kiszámolni:
displaymath17592
mivel feltételeztük, hogy tex2html_wrap_inline17594, és alacsony hőmérsekleten
displaymath17596
ezért
displaymath17598
tehát a magnonok bozonok. Kémiai potenciáljuk termeszetesen zérus, hiszen a magnonok számát az a feltétel definiálja, hogy a rendszer szabadenergiája minimális.

Ahhoz, hogy a fenti kép konzisztens legyen, meg kell mutatnunk, hogy alacsony hőmérsékleten tényleg kevés magnon gerjesztődik. A magnonok száma szerint:
displaymath17600
tehát
 equation7192
ahonnan az tex2html_wrap_inline17602 egyenlőtlenség következik, elég alacsony hőmérsékleten.

Mivel alapállapotban a mágnesezettség tex2html_wrap_inline17604 és minden magnon eggyel növeli a mágnesezettséget, ezért T hőmersékleten
 equation7194
ahol tex2html_wrap_inline13976 (42) és (43) összehasonlításából határozható meg.

Kétdimenziós rendszerre a fentiekben leírt egyszerű\ magnonkép nem jó, mivel a magnonok számát meghatározo integrál divergens:
displaymath17610
ami arra utal, hogy kétdimenziós rendszerben a Heisenberg-spinek T=0 hőmérsékleti rendezettsége (spontán magnesezettsége) bármilyen kis véges hőmérsékleten eltűnik.

15.26 feladat


next up previous
Követklező: A 15.27 feladat megoldása Fel: megoldások Előző: A 15.25 feladat megoldása