स्पिन ग्लास

एक चक्रण काँच (शीर्ष) की यादृच्छिक चक्रण संरचना का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व और एक लौह-चुंबकीय (नीचे) का आदेश दिया

File:सिलिका.svg

कांच (आकृतिहीन SiO₂)

File:SiO² स्फटिक.svg

स्फटिक (क्रिस्टल रेखा SiO₂)

लोह चुंबकीय की अपेक्षा में चक्रण कांच का चुंबकीय विकार स्फटिक (दाएं) की तुलना में कांच (बाएं) की स्थितीय विकार के अनुरूप है।

संघनित पदार्थ भौतिकी में, एक चक्रण काँच एक चुंबकीय स्थिति है जो यादृच्छिकता की विशेषता है, इसके अलावा 'हिमीकरण तापमान' टीएफ नामक तापमान पर चक्रण की हिमीकरण में सहकारी व्यवहार होता है। लौह चुम्बकीय ठोस में, घटक परमाणुओं का चुंबकीय चक्रण (भौतिकी) सभी एक ही दिशा में संरेखित होते हैं। लौह-चुंबकीय के साथ विपरीत होने पर चक्रण काँच को अव्यवस्थित चुंबकीय स्थिति के रूप में परिभाषित किया जाता है जिसमें चक्रण यादृच्छिक रूप से या नियमित स्वरूप के बिना संरेखित होते हैं और युग्मन भी यादृच्छिक होते हैं।

"काँच" शब्द एक चक्रण काँच में चुंबकीय विकार और एक पारंपरिक रासायनिक काँच के स्थितीय विकार के बीच समानता से आता है। उदाहरण के रूप खिड़की के शीशे। खिड़की के शीशे या किसी आकृतिहीन ठोस में परमाणु बंधन संरचना अत्यधिक अनियमित होती है। इसके विपरीत, एक क्रिस्टल में परमाणु बंधों का एक समान स्वरूप होता है। लौह-चुंबकीय ठोस में, चुंबकीय चक्रण सभी एक ही दिशा में संरेखित होते हैं, यह एक क्रिस्टल की जाली-आधारित संरचना के अनुरूप है।

एक चक्रण काँच में अलग-अलग परमाणु बंधन लगभग समान संख्या में लौह-चुंबकीयिक अनुबंध (जहां पड़ोसियों का एक ही अभिविन्यास है) और प्रतिलोह-चुंबकीय अनुबंध (जहां पड़ोसियों का वास्तव में विपरीत अभिविन्यास होता है: उत्तर और दक्षिण ध्रुव 180 डिग्री अनियंत्रित होते हैं) का मिश्रण होते हैं। संरेखित और असंरेखित परमाणु चुम्बकों के ये स्वरूप एक नियमित रूप से पूरी तरह से संरेखित ठोस में दिखाई देने वाली चीज़ों की तुलना में परमाणु अनुबंधों की ज्यामिति में कुंठित अंतःक्रियात्मक विकृतियों के रूप में जाने जाते हैं। वे ऐसी परिस्थितियाँ भी बना सकते हैं जहाँ परमाणुओं की एक से अधिक ज्यामितीय व्यवस्था स्थिर हो।

स्पिन ग्लास और उनके अन्दर उत्पन्न होने वाली जटिल आंतरिक संरचनाओं को "मितस्थायित्व" कहा जाता है क्योंकि वे सबसे कम ऊर्जा विन्यास (जो संरेखित और फेरोमैग्नेटिक होंगे) के अलावा स्थिर विन्यास में "फंस" जाते हैं। इन संरचनाओं की गणितीय जटिलता कठिन है लेकिन कंप्यूटर विज्ञान में भौतिकी, रसायन विज्ञान सामग्री विज्ञान और कृत्रिम तंत्रिका समूह के अनुप्रयोगों के साथ प्रयोगात्मक रूप से या अनुकरण में अध्ययन करने के लिए उपयोगी है।

चुंबकीय व्यवहार

यह समय की निर्भरता है जो चक्रण काँच को अन्य चुंबकीय प्रणालियों से प्रथक करती है।

स्पिन ग्लास परिवर्तनकाल तापमान T_c के ऊपर चक्रण काँच विशिष्ट चुंबकीय व्यवहार (जैसे अनुचुंबकत्व) प्रदर्शित करता है।

यदि एक अनुप्रयुक्त चुंबकीय क्षेत्र लागू किया जाता है क्योंकि नमूने को संक्रमण तापमान तक ठंडा किया जाता है, तो क्यूरी के नियम द्वारा वर्णित नमूने का चुंबकीयकरण बढ़ जाता है। पहुँचने पर टी_c, नमूना एक चक्रण काँच बन जाता है और आगे ठंडा करने से चुंबकीयकरण में थोड़ा परिवर्तन होता है। इसे फील्ड-कूल्ड मैग्नेटाइजेशन कहा जाता है।

जब बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को हटा दिया जाता है, तो चक्रण काँच का चुंबकीयकरण तेजी से एक कम मूल्य पर गिर जाता है जिसे रेमनेंट चुंबकीयकरण के रूप में जाना जाता है।

चुंबकत्व तब धीरे-धीरे कम हो जाता है क्योंकि यह शून्य (या मूल मूल्य के कुछ छोटे अंश-भौतिक विज्ञान में अनसुलझी समस्याओं की सूची) तक पहुंचता है। यह घातीय क्षय | क्षय गैर-घातीय है और कोई सरल कार्य चुंबकीयकरण बनाम समय के वक्र को पर्याप्त रूप से फिट नहीं कर सकता है। यह धीमा क्षय विशेष रूप से चश्मा घुमाने के लिए है। दिनों के क्रम पर प्रायोगिक मापों ने इंस्ट्रूमेंटेशन के शोर स्तर के ऊपर लगातार परिवर्तन दिखाया है।

चक्रण काँच लौह-चुंबकीयिक मैटीरियल से इस तथ्य से भिन्न होते हैं कि बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को लौह-चुंबकीयिक पदार्थ से हटा दिए जाने के बाद, मैग्नेटाइजेशन अवशेष मूल्य पर अनिश्चित काल तक बना रहता है। पैरामैग्नेटिक सामग्री चक्रण काँच से इस तथ्य से भिन्न होती है कि, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को हटा दिए जाने के बाद, चुंबकीयकरण तेजी से शून्य हो जाता है, जिसमें कोई अवशेष चुंबकीयकरण नहीं होता है। क्षय तीव्र और घातीय है।

यदि नमूना टी के नीचे ठंडा हो जाता है_c बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में और चक्रण काँच चरण में संक्रमण के बाद एक चुंबकीय क्षेत्र लागू किया जाता है, शून्य-क्षेत्र-ठंडा चुंबकत्व नामक मूल्य में तेजी से प्रारंभिक वृद्धि होती है। एक धीमी गति से ऊपर की ओर बहाव तब फील्ड-कूल्ड मैग्नेटाइजेशन की ओर होता है।

आश्चर्यजनक रूप से, समय के दो जटिल कार्यों का योग (शून्य-फ़ील्ड-कूल्ड और रिमेनेंट मैग्नेटाइजेशन) एक स्थिर है, अर्थात् फ़ील्ड-कूल्ड मान, और इस प्रकार दोनों समय के साथ समान कार्यात्मक रूपों को साझा करते हैं, कम से कम बहुत छोटे बाहरी क्षेत्रों की सीमा में।

एडवर्ड्स-एंडरसन मॉडल

इस मॉडल में, हमने घुमावों को a पर व्यवस्थित किया है $d$आइसिंग मॉडल के समान केवल निकटतम पड़ोसी इंटरैक्शन के साथ -डायमेंशनल जाली। इस मॉडल को सटीक रूप से महत्वपूर्ण तापमान के लिए हल किया जा सकता है और कम तापमान पर एक शीशे का चरण देखा जाता है। इस चक्रण प्रणाली के लिए हैमिल्टनियन यांत्रिकी द्वारा दिया गया है:

$H=-\sum _{\langle ij\rangle }J_{ij}S_{i}S_{j},$

कहाँ $S_{i}$ जाली बिंदु पर चक्रण-हाफ कण के लिए पाउली चक्रण मैट्रिक्स को संदर्भित करता है $i$, और योग समाप्त $\langle ij\rangle$ पड़ोसी जाली बिंदुओं पर योग करने के लिए संदर्भित करता है $i$ और $j$. का ऋणात्मक मान $J_{ij}$ बिंदुओं पर चक्रण के बीच एक प्रतिलोह चुंबकीय प्रकार की बातचीत को दर्शाता है $i$ और $j$. योग किसी भी आयाम के जाली पर सभी निकटतम पड़ोसी स्थितियों पर चलता है। चर $J_{ij}$ चक्रण-चक्रण इंटरैक्शन की चुंबकीय प्रकृति का प्रतिनिधित्व करने वाले अनुबंध या लिंक चर कहलाते हैं।

इस प्रणाली के लिए विभाजन समारोह (सांख्यिकीय यांत्रिकी) निर्धारित करने के लिए, हेल्महोल्ट्ज़ मुक्त ऊर्जा को औसत करने की आवश्यकता है $f\left[J_{ij}\right]=-{\frac {1}{\beta }}\ln {\mathcal {Z}}\left[J_{ij}\right]$ कहाँ ${\mathcal {Z}}\left[J_{ij}\right]=\operatorname {Tr} _{S}\left(e^{-\beta H}\right)$, के सभी संभावित मूल्यों पर $J_{ij}$. के मूल्यों का वितरण $J_{ij}$ एक माध्य के साथ गॉसियन के रूप में लिया जाता है $J_{0}$ और एक भिन्नता $J^{2}$:

$P(J_{ij})={\sqrt {\frac {N}{2\pi J^{2}}}}\exp \left\{-{\frac {N}{2J^{2}}}\left(J_{ij}-{\frac {J_{0}}{N}}\right)^{2}\right\}.$

एक निश्चित तापमान के नीचे, प्रतिकृति चाल का उपयोग करके मुक्त ऊर्जा के लिए समाधान, एक नया चुंबकीय चरण जिसे सिस्टम का चक्रण काँच चरण (या काँची चरण) कहा जाता है, मौजूद पाया जाता है, जो लुप्त हो जाने वाले चुंबकीयकरण की विशेषता है। $m=0$ एक ही जाली बिंदु पर लेकिन दो अलग-अलग प्रतिकृतियों पर चक्रण के बीच दो बिंदु सहसंबंध समारोह के गैर-लुप्त होने वाले मूल्य के साथ:

$q=\sum _{i=1}^{N}S_{i}^{\alpha }S_{i}^{\beta }\neq 0,$

कहाँ $\alpha ,\beta$ प्रतिकृति सूचकांक हैं। लौह-चुंबकीयिक टू चक्रण काँच फेज ट्रांजिशन के लिए आदेश पैरामीटर इसलिए है $q$, और यह कि पैरामैग्नेटिक टू चक्रण काँच फिर से है $q$. इसलिए तीन चुंबकीय चरणों का वर्णन करने वाले ऑर्डर पैरामीटर के नए सेट में दोनों शामिल हैं $m$ और $q$.

प्रतिकृति समरूपता की धारणा के तहत, माध्य-क्षेत्र मुक्त ऊर्जा अभिव्यक्ति द्वारा दी गई है:

${\begin{aligned}\beta f={}-{\frac {\beta ^{2}J^{2}}{4}}(1-q)^{2}+{\frac {\beta J_{0}m^{2}}{2}}-\int \exp \left(-{\frac {z^{2}}{2}}\right)\log \left(2\cosh \left(\beta Jz+\beta J_{0}m\right)\right)\,\mathrm {d} z.\end{aligned}}$

शेरिंगटन-किर्कपैट्रिक मॉडल

असामान्य प्रयोगात्मक गुणों के अतिरिक्त, चक्रण काँच व्यापक सैद्धांतिक और कम्प्यूटेशनल जांच का विषय हैं। चक्रण काँच पर शुरुआती सैद्धांतिक काम का एक बड़ा हिस्सा सिस्टम के विभाजन समारोह (सांख्यिकीय यांत्रिकी) की प्रतिकृति चाल के एक सेट के आधार पर माध्य-क्षेत्र सिद्धांत के एक रूप से निपटा।

1975 में डेविड Sherrington (भौतिक विज्ञानी)भौतिक विज्ञानी) और स्कॉट किर्कपैट्रिक द्वारा चक्रण काँच का एक महत्वपूर्ण, सटीक रूप से हल करने योग्य मॉडल पेश किया गया था। यह लंबी दूरी के कुंठित फेरो के साथ-साथ प्रतिलोह चुंबकीय कपलिंग वाला एक ईज़िंग मॉडल है। यह एक मीन-फील्ड थ्योरी से मेल खाता है। चक्रण काँचेस का मीन-फील्ड सन्निकटन मैग्नेटाइजेशन की धीमी गतिकी और जटिल नॉन-एर्गोडिक इक्विलिब्रियम स्टेट का वर्णन करता है।

एडवर्ड्स-एंडरसन (ईए) मॉडल के विपरीत, सिस्टम में हालांकि केवल दो-चक्रण इंटरैक्शन पर विचार किया जाता है, प्रत्येक इंटरैक्शन की सीमा संभावित रूप से अनंत हो सकती है (जाली के आकार के क्रम में)। इसलिए, हम देखते हैं कि किसी भी दो चक्रण को लौह-चुंबकीयिक या प्रतिलोह चुंबकीय अनुबंध से जोड़ा जा सकता है और इनका वितरण ठीक उसी तरह दिया जाता है जैसा एडवर्ड्स-एंडरसन मॉडल के मामले में होता है। एसके मॉडल के लिए हैमिल्टनियन ईए मॉडल के समान है:

$H=-\sum _{i<j}J_{ij}S_{i}S_{j}$

कहाँ $J_{ij},S_{i},S_{j}$ ईए मॉडल के समान अर्थ हैं। मॉडल का संतुलन समाधान, शेरिंगटन, किर्कपैट्रिक और अन्य के कुछ शुरुआती प्रयासों के बाद, 1979 में जॉर्ज पारसी द्वारा प्रतिकृति विधि के साथ पाया गया। पेरिस के समाधान की व्याख्या का बाद का काम- मार्क मेज़ार्ड द्वारा | एम। मेजार्ड, जी. पारसी, मिगुएल एंजेल विरासोरो (भौतिक विज्ञानी)|एम.ए. विरासोरो और कई अन्य लोगों ने एक कांच के कम तापमान के चरण की जटिल प्रकृति का खुलासा किया, जो कि एर्गोडिसिटी ब्रेकिंग, अल्ट्रामैट्रिकिटी और गैर-स्व-औसतता की विशेषता है। आगे की घटनाओं ने गुहा पद्धति का निर्माण किया, जिसने प्रतिकृतियों के बिना निम्न तापमान चरण के अध्ययन की अनुमति दी। फ्रांसेस्को गुएरा और मिशेल तालग्रैंड के काम में पेरिस समाधान का एक कठोर प्रमाण प्रदान किया गया है। प्रतिकृति माध्य-क्षेत्र सिद्धांत की औपचारिकता को तंत्रिका नेटवर्क के अध्ययन में भी लागू किया गया है, जहां इसने गुणों की गणना को सक्षम किया है जैसे कि सरल तंत्रिका नेटवर्क आर्किटेक्चर की भंडारण क्षमता बिना प्रशिक्षण एल्गोरिदम (जैसे backpropagation) को डिजाइन किए जाने की आवश्यकता है या कार्यान्वित। गॉसियन मॉडल की तरह शॉर्ट रेंज फ्रस्ट्रेटेड इंटरेक्शन और डिसऑर्डर के साथ अधिक यथार्थवादी चक्रण काँच मॉडल, जहां पड़ोसी चक्रण के बीच कपलिंग गाऊसी वितरण का अनुसरण करते हैं, विशेष रूप से मोंटे कार्लो अनुकरण का उपयोग करते हुए बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है। ये मॉडल तेज चरण संक्रमणों से घिरे चक्रण काँच चरणों को प्रदर्शित करते हैं।

संघनित पदार्थ भौतिकी में इसकी प्रासंगिकता के अलावा, चक्रण काँच सिद्धांत ने तंत्रिका नेटवर्क सिद्धांत, कंप्यूटर विज्ञान, सैद्धांतिक जीव विज्ञान, अर्थभौतिकी आदि के अनुप्रयोगों के साथ एक दृढ़ता से अंतःविषय चरित्र प्राप्त कर लिया है।

अनंत-श्रेणी मॉडल

अनंत-श्रेणी मॉडल शेरिंगटन-किर्कपैट्रिक मॉडल का एक सामान्यीकरण है| शेरिंगटन-किर्कपैट्रिक मॉडल जहां हम न केवल दो चक्रण इंटरैक्शन पर विचार करते हैं बल्कि $r$-चक्रण इंटरैक्शन, जहां $r\leq N$ और $N$ घुमावों की कुल संख्या है। एडवर्ड्स-एंडरसन मॉडल के विपरीत, एसके मॉडल के समान, इंटरेक्शन रेंज अभी भी अनंत है। इस मॉडल के लिए हैमिल्टनियन द्वारा वर्णित है:

$H=-\sum _{i_{1}<i_{2}<\cdots <i_{r}}J_{i_{1}\dots i_{r}}S_{i_{1}}\cdots S_{i_{r}}$

कहाँ $J_{i_{1}\dots i_{r}},S_{i_{1}},\dots ,S_{i_{r}}$ ईए मॉडल के समान अर्थ हैं। $r\to \infty$ h> इस मॉडल की सीमा को यादृच्छिक ऊर्जा मॉडल के रूप में जाना जाता है। इस सीमा में, यह देखा जा सकता है कि किसी विशेष अवस्था में मौजूद चक्रण काँच की संभावना केवल उस राज्य की ऊर्जा पर निर्भर करती है, न कि उसमें अलग-अलग चक्रण विन्यास पर। इस मॉडल को हल करने के लिए आमतौर पर जाली के पार चुंबकीय बंधनों का गाऊसी वितरण माना जाता है। केंद्रीय सीमा प्रमेय के परिणाम के रूप में किसी अन्य वितरण से समान परिणाम देने की उम्मीद है। गाऊसी बंटन फलन, माध्य के साथ ${\frac {J_{0}}{N}}$ और विचरण ${\frac {J^{2}}{N}}$, के रूप में दिया गया है:

$P\left(J_{i_{1}\cdots i_{r}}\right)={\sqrt {\frac {N^{r-1}}{J^{2}\pi r!}}}\exp \left\{-{\frac {N^{r-1}}{J^{2}r!}}\left(J_{i_{1}\cdots i_{r}}-{\frac {J_{0}r!}{2N^{r-1}}}\right)\right\}$

इस प्रणाली के लिए आदेश पैरामीटर चुंबकीयकरण द्वारा दिए गए हैं $m$ और एक ही साइट पर चक्रण के बीच दो बिंदु चक्रण सहसंबंध $q$, दो अलग-अलग प्रतिकृतियों में, जो SK मॉडल के समान हैं। यह अनंत रेंज मॉडल मुक्त ऊर्जा के लिए स्पष्ट रूप से हल किया जा सकता है के अनुसार $m$ और $q$, प्रतिकृति समरूपता के साथ-साथ 1-प्रतिकृति समरूपता ब्रेकिंग की धारणा के तहत।

${\begin{aligned}\beta f={}&{\frac {1}{4}}\beta ^{2}J^{2}q^{r}-{\frac {1}{2}}r\beta ^{2}J^{2}q^{r}-{\frac {1}{4}}\beta ^{2}J^{2}+{\frac {1}{2}}\beta J_{0}rm^{r}+{\frac {1}{4{\sqrt {2\pi }}}}r\beta ^{2}J^{2}q^{r-1}+{}\\&\int \exp \left(-{\frac {1}{2}}z^{2}\right)\log \left(2\cosh \left(\beta Jz{\sqrt {{\frac {1}{2}}rq^{r-1}}}+{\frac {1}{2}}\beta J_{0}rm^{r-1}\right)\right)\,\mathrm {d} z\end{aligned}}$

गैर-कार्यात्मक व्यवहार और अनुप्रयोग

एक थर्मोडायनामिक सिस्टम एर्गोडिक है, जब सिस्टम के किसी भी (संतुलन) उदाहरण को देखते हुए, यह अंततः हर दूसरे संभव (संतुलन) राज्य (समान ऊर्जा का) पर जाता है। चक्रण काँच सिस्टम की एक विशेषता यह है कि ठंड तापमान के नीचे $T_{\text{f}}$, उदाहरण राज्यों के एक गैर-एर्गोडिक सेट में फंस गए हैं: सिस्टम कई राज्यों के बीच उतार-चढ़ाव कर सकता है, लेकिन समतुल्य ऊर्जा के अन्य राज्यों में संक्रमण नहीं कर सकता। सहज रूप से, कोई कह सकता है कि सिस्टम पदानुक्रमित अव्यवस्थित ऊर्जा_लैंडस्केप की गहरी मिनिमा से बच नहीं सकता है; मिनीमा के बीच की दूरी एक अल्ट्रामेट्रिक द्वारा दी जाती है, जिसमें मिनिमा के बीच लंबे ऊर्जा अवरोध होते हैं। भागीदारी अनुपात उन राज्यों की संख्या की गणना करता है जो किसी दिए गए उदाहरण से पहुंच योग्य हैं, यानी जमीनी राज्य में भाग लेने वाले राज्यों की संख्या। चक्रण काँच के एर्गोडिक पहलू ने जियोर्जियो पेरिस को भौतिकी में नोबेल पुरस्कार विजेताओं की आधी सूची प्रदान करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई थी। भौतिक प्रणालियों के लिए, जैसे तांबे में तनु मैंगनीज, ठंड का तापमान आमतौर पर 30 केल्विन (-240 डिग्री सेल्सियस) जितना कम होता है, और इसलिए चक्रण-काँच चुंबकत्व व्यावहारिक रूप से दैनिक जीवन में अनुप्रयोगों के बिना प्रतीत होता है। हालांकि, गैर-एर्गोडिक राज्य और ऊबड़-खाबड़ ऊर्जा परिदृश्य, हॉपफील्ड नेटवर्क सहित कुछ तंत्रिका नेटवर्क के व्यवहार को समझने में काफी उपयोगी हैं, साथ ही साथ कंप्यूटर विज्ञान अनुकूलन (गणित) और आनुवंशिकी में कई समस्याएं हैं।

स्व-प्रेरित चक्रण काँच

2020 में, रेडबौड विश्वविद्यालय निज्मेजेन और उप्साला विश्वविद्यालय के भौतिकी शोधकर्ताओं ने घोषणा की कि उन्होंने नियोडिमियम की परमाणु संरचना में स्व-प्रेरित चक्रण काँच के रूप में जाना जाने वाला एक व्यवहार देखा है। शोधकर्ताओं में से एक ने समझाया, ... स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप को स्कैन करने के विशेषज्ञ हैं। यह हमें अलग-अलग परमाणुओं की संरचना को देखने की अनुमति देता है, और हम परमाणुओं के उत्तरी और दक्षिणी ध्रुवों को हल कर सकते हैं। उच्च-परिशुद्धता इमेजिंग में इस प्रगति के साथ, हम नियोडिमियम में व्यवहार की खोज करने में सक्षम थे, क्योंकि हम चुंबकीय संरचना में अविश्वसनीय रूप से छोटे परिवर्तनों को हल कर सकते थे। नियोडिमियम एक जटिल चुंबकीय तरीके से व्यवहार करता है जिसे आवर्त सारणी तत्व में पहले नहीं देखा गया था।

क्षेत्र का इतिहास

1960 के दशक के प्रारंभ से 1980 के दशक के अंत तक चक्रण काँच के इतिहास का विस्तृत विवरण फ़िलिप वॉरेन एंडरसन द्वारा लोकप्रिय लेखों की एक श्रृंखला में पाया जा सकता है। फ़िलिप डब्ल्यू एंडरसन इन फ़िज़िक्स टुडे।

यह भी देखें

• एंटीफेरोमैग्नेटिक इंटरैक्शन
• कैविटी विधि
• क्रिस्टल की संरचना
• ज्यामितीय हताशा
• ओरिएंटेशनल ग्लास
• चरण संक्रमण
• बुझा हुआ विकार
• यादृच्छिक ऊर्जा मॉडल
• प्रतिकृति युक्ति
• स्पिन बर्फ

साहित्य

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बाहरी संबंध

• Papercore summary of seminal Sherrington/Kirkpatrick paper Archived 2016-08-22 at the Wayback Machine
• Statistics of frequency of the term "Spin glass" in arxiv.org