Klasik istatistik fiziği · Ising, XY, Heisenberg ve Potts modelleri
Klasik Monte Carlo Laboratuvarı
Termal dengedeki bir spin sisteminin ortalamaları \(Z=\sum e^{-\beta H}\) toplamıyla tanımlıdır, ancak bu toplam \(N\) spinde üstel sayıda terim içerir. Monte Carlo yöntemi toplamı hesaplamak yerine konfigürasyonları Boltzmann ağırlığıyla örnekler: bir Markov zinciri kurulur, zincirin durağan dağılımı \(e^{-\beta H}/Z\) olur ve gözlenebilirler örnek ortalamasıyla kestirilir. Bu sayfada aynı modeli farklı algoritmalarla çözebilir, örneklerin ilişkisini ve hatasını ölçebilir, faz geçişlerini sonlu boyut ölçeklemesiyle bulabilirsiniz.
Şekil 1. Her süpürmeden sonra alınan örnekler. Seri: son 400 süpürmedeki düzen parametresi ya da enerji; kesikli çizgi o ana dek biriken ortalama. \(n=1\) modellerde işaretli \(m\) çizilir: \(T_c\) altında küçük sistem \(+m\) ile \(-m\) arasında tünel yapar. Histogram: tüm ölçüm boyunca \(P(m)\) ya da \(P(e)\); \(T_c\) altında çift tepe, birinci derece geçişte \(P(e)\)'de çift tepe görülür. Otokorelasyon: \(\rho(t)=\langle\delta O_0\,\delta O_t\rangle/\langle\delta O^2\rangle\) ve buradan \(\tau_{\rm int}=\tfrac12+\sum_{t\ge1}\rho(t)\) (Sokal penceresi, \(W\ge6\tau_{\rm int}\)).
Sıcaklık taraması
Şekil 2. Noktalar kaydedilmiş taramalardır (renk = tarama, hata çubukları ikili bloklama ve jackknife). Siyah halka o anki koşunun ölçümü, kesikli eğri bu koşudan histogram yeniden ağırlıklandırmayla elde edilen tahmindir; yalnızca etkin örnek sayısının yettiği aralıkta çizilir. İnce camgöbeği çizgi kesin sonuçtur (2D kare Ising için Onsager, 1D modeller için transfer matrisi), dikey kesikli çizgi literatürdeki \(T_c\)'dir. XY modelinde \(\Upsilon\) grafiğindeki eğik çizgi BKT sıçrama koşulu \(\Upsilon=2T/\pi\)'dir.
Sıcaklık taraması
Sonuçlar Şekil 2'de. Her noktada önce ölçümün %20'si kadar termalleşme atılır; tarama yüksek T'den başlar ve önceki noktanın durumundan devam eder. Ayrı iş parçacığında çalışır, simülasyon sürerken kullanılabilir.
Görselleştirme
Renkler nasıl okunur
xy
Ising ve Potts
Ising'de koyu kare \(S=+1\), açık kare \(S=-1\)'dir. Potts'ta her durumun kendi rengi vardır; renk çarkı \(q\) eşit parçaya bölünür. Domen duvarları renk sınırlarıdır; \(T_c\) yakınında her ölçekte domen görülür.
AFM'de "düzeni göster" açıkken her spin alt örgü işaretiyle (\((-1)^{x+y+z}\)) çarpılarak çizilir: Néel düzeni tek renk, alt örgü domenleri ise ayrı renkler olarak görünür. Kapatırsanız ham dama tahtası deseni görünür.
Heisenberg'de parlaklık \(S^z\)'yi gösterir: \(S^z=+1\) beyaza, \(S^z=-1\) siyaha gider; düzlemdeki spinler tam renklidir. Kolay eksenli düzende (\(K>0\) ya da \(\lambda>1\)) görüntü bu yüzden siyah-beyaz Ising'e benzer.
1D zincirde uzay-zaman
1D'de yatay eksen site, dikey eksen MC zamanıdır (her satır bir süpürme, en yeni satır altta). Domen duvarlarının MC zamanında yayılması ve yok olması doğrudan görülür; korelasyon uzunluğu \(\xi\) domenlerin tipik genişliğidir.
Bu, fiziksel bir zaman evrimi değildir: Markov zincirinin adımlarıdır. Metropolis'te domen duvarları rastgele yürüyüşle gezer; küme algoritmalarında desen bir süpürmede tümüyle değişebilir.
Kümeler ve girdaplar
Wolff seçiliyken son çevrilen küme turuncuya boyanır. SW seçiliyken ilgili kutu işaretlenirse spinler yerine her küme rastgele bir renkle gösterilir. Kümeler Fortuin–Kasteleyn kümeleridir; boyutları \(T_c\)'de her ölçeğe yayılır.
2D XY modelinde turuncu dolu daire \(+1\), camgöbeği halka \(-1\) sarmalı girdaptır (plaket etrafındaki açı farklarının toplamı \(\pm2\pi\)). \(T_{\rm BKT}\) altında girdaplar bağlı çiftlerdir, üstünde serbest kalır.
Komutlar ve klavye kısayolları
Görselin hemen altındaki çubuk simülasyonu yönetir: oynat/duraklat, rastgele ya da düzenli başlangıç, ölçümü sıfırlama ve hız. Sıcaklık taraması şekillerin altındaki karttadır; sağ paneldeki "Tavlama" ve "Sayısal" grupları başlıklarına tıklanınca açılır.
Klavye: Boşluk oynat/duraklat · R rastgele · D düzenli · M ölçümü sıfırla · +/− hız · T taramayı başlat/iptal · F tam sayfa · Esc çıkış. Bir sayı kutusu ya da liste odaktayken kısayollar çalışmaz; çubuktaki ⌨ düğmesi listeyi gösterir.
burada \(\mathbf S_t\) konfigürasyonları \(P\propto e^{-\beta H}\) ile seçilir. Düzgün rastgele örnekleme işe yaramaz: önemli konfigürasyonlar faz uzayının üstel olarak küçük bir kesridir.
Hata, sistem boyutundan bağımsız olarak \(M^{-1/2}\) ile azalır; bu yüzden yöntem çok boyutlu toplamlarda güçlüdür. Ancak \(Z\)'nin kendisi (dolayısıyla serbest enerji ve entropi) doğrudan ölçülmez.
2 · Markov zinciri
Detaylı denge
\(\mathbf S\to\mathbf S'\) geçiş olasılığı \(W\) detaylı dengeyi sağlıyor ve zincir ergodikse, durağan dağılım Boltzmann dağılımıdır:
Metropolis: bir değişiklik önerilir ve \(\min(1,e^{-\beta\Delta E})\) olasılıkla kabul edilir. Isı banyosu: seçilen spin komşularının yerel alanında doğrudan Boltzmann dağılımından yeniden çekilir.
Bir süpürme \(N\) güncelleme denemesidir. Metropolis'te siteler rastgele seçilir. Tümüyle sıralı Metropolis 1D'de, \(\Delta E=0\) hamleleri her zaman kabul edildiği için yanlış dağılıma takılabilir; bu sürümde rastgele site seçimi kullanılır.
3 · Termalleşme
Başlangıcı unutmak
Zincir rastgele ya da düzenli bir durumdan başlar ve dengeye ancak birkaç \(\tau_{\rm exp}\) sonra ulaşır. Bu süredeki örnekler atılır (termalleşme). Parametre değiştiğinde ölçüm kendiliğinden sıfırlanır ve "Termalleşme" kutusundaki süpürme sayısı kadar örnek atılır.
Pratik test: aynı parametrelerle rastgele (sıcak) ve düzenli (soğuk) başlangıçtan iki koşu aynı ortalamaya yakınsamalıdır. Birinci derece geçişlerde ve frustre sistemlerde bu test başarısız olabilir: zincir metastabil bir durumda kalır.
İstatistik
İlişkili örnekler ve hata çubukları
1 · Otokorelasyon
Etkin örnek sayısı
Ardışık Markov örnekleri bağımsız değildir. Ortalamanın varyansı
\(M\) örnek yalnızca \(M/2\tau_{\rm int}\) bağımsız örneğe eşdeğerdir. \(\tau_{\rm int}\) gözlenebilire bağlıdır: \(|m|\) genellikle \(e\)'den yavaştır.
Ölçüm satırındaki \(\tau_{\rm int}\) süpürme birimindedir. Şekil 1'deki otokorelasyon görünümü aynı niceliği doğrudan \(\rho(t)\)'den hesaplar; iki tahminin uyumu ölçümün güvenilirliğinin işaretidir.
2 · Bloklama ve jackknife
Hata nasıl hesaplanır
Seri art arda ikişer ortalanarak bloklanır; blok boyu \(\tau_{\rm int}\)'yi aşınca blok ortalamaları bağımsızlaşır ve hata bir platoya ulaşır. \(\chi\), \(C\) ve \(U\) gibi ortalamaların doğrusal olmayan fonksiyonları için hata 32 bloklu jackknife ile bulunur:
Ölçüm \(\tau_{\rm int}\)'nin birkaç yüz katından kısaysa hem \(\tau_{\rm int}\) hem hata olduğundan küçük çıkar. Kritik noktada Metropolis ile bu durum sık görülür; hata çubuğuna değil, iki bağımsız koşunun uyumuna bakın.
3 · Verim
Adil algoritma karşılaştırması
Algoritmaları süpürme başına \(\tau_{\rm int}\) ile karşılaştırmak yanıltıcıdır; bir Wolff süpürmesi bir Metropolis süpürmesinden pahalıdır. Doğru ölçü saniyede üretilen bağımsız örnek sayısıdır:
Kritik noktada \(\tau\sim L^{z}\): 2D Ising'de Metropolis için \(z\simeq2.17\), Swendsen–Wang ve Wolff için \(z\lesssim0.3\). Büyük \(L\)'de fark bu yüzden yüzlerce kata çıkar. Kritik noktadan uzakta yerel algoritmalar daha verimli olabilir.
Küme algoritmaları
Kritik yavaşlamayı kırmak
1 · Fortuin–Kasteleyn
Swendsen–Wang
Ising/Potts bölüşüm fonksiyonu bağ değişkenleriyle yeniden yazılabilir. Her doyurulmuş bağ (FM'de eş spinler)
olasılıkla açılır. Açık bağlarla bağlı kümelerin her biri bağımsız olarak çevrilir (Potts'ta rastgele bir duruma atanır). Kabul olasılığı 1'dir.
Kümeler fiziksel korelasyonları taşır: \(T_c\)'de süzülme (percolation) eşiğindedir. Bu yüzden büyük ölçekli değişiklikler tek adımda yapılır.
2 · Wolff
Tek küme
Rastgele bir tohum sitesinden tek bir FK kümesi büyütülür ve çevrilir. Büyük kümeler daha sık seçildiği için SW'den biraz daha verimlidir. Ortalama küme boyutu düzensiz fazda süseptibiliteye eşittir: \(\langle|C|\rangle=\chi'/\beta\).
Gizli bir tuzak: "toplam çevrilen site \(N\)'yi geçene kadar küme üret, sonra ölç" kuralı ölçümü son kümenin boyutuyla ilişkilendirir ve ölçülebilir bir yanlılık üretir. Burada süpürme başına küme sayısı termalleşme sırasında belirlenip sabitlenir.
3 · Sürekli spinler
Gömme ve aşırı gevşeme
XY ve Heisenberg'de rastgele bir \(\hat r\) seçilir; \(\mathbf S\to\mathbf S-2(\mathbf S\cdot\hat r)\hat r\) yansıması \(\hat r\cdot\mathbf S\)'nin işaretini çeviren gömülü bir Ising modeli tanımlar:
Anizotropide yalnız \(H\)'yi koruyan yansımalar (\(\hat r\in xy\) ya da \(\hat r=\hat z\)) kullanılabilir. Bunlar \(xy\) düzlemini kendine taşıdığı için zincir ergodik değildir; her süpürmeye bir Metropolis süpürmesi eklenir. Aşırı gevşeme spini yerel alan etrafında yansıtır: \(\mathbf S\to2(\mathbf S\cdot\hat{\mathbf H})\hat{\mathbf H}-\mathbf S\); enerjiyi korur, maliyeti düşüktür, ama tek başına mikrokanoniktir.
Faz geçişi
Sonlu boyut ölçeklemesi ve Binder kümülantı
1 · Ölçekleme
Sonlu sistemde geçiş yoktur
Sonlu \(L\)'de bütün gözlenebilirler analitiktir; tekillikler \(\xi\sim L\) olduğunda yuvarlanır. Kritik noktada
2D Ising: \(\beta=1/8,\ \gamma=7/4,\ \nu=1\), \(C\) logaritmik ıraksar. 3D Ising: \(\nu\simeq0.630\), \(\gamma\simeq1.237\). \(\chi\) ve \(C\) tepelerinin konumu \(L\) ile kayar; \(T_c\)'yi tek bir \(L\)'den okumak sistematik hata verir.
Düzenli fazda \(U\to1\), düzensiz fazda (Gauss dalgalanmaları) \(U\to0\). Ölçeklemede boyutsuz olduğundan farklı \(L\) eğrileri \(T_c\)'de, öncü düzeltmelere kadar, tek noktada kesişir.
Ising'de bu, standart \(1-\langle m^4\rangle/3\langle m^2\rangle^2\) tanımının \(3/2\) katıdır; kesişim değeri \(U^*\) evrenseldir ama sınır koşuluna ve en-boy oranına bağlıdır (2D kare Ising: \(U^*\simeq0.916\)). Kesişim yoksa (1D, 2D Heisenberg) uzun-menzil düzen yoktur. Birinci derece geçişte \(U\) negatif bir çukur yapar.
3 · Yeniden ağırlıklandırma
Bir koşudan bir eğri
\(\beta_0\)'da toplanan örnekler yakın bir \(\beta\)'daki ortalamayı da verir (Ferrenberg–Swendsen):
Yöntem \(P(E)\) histogramının kuyruklarına dayanır; güvenilir aralık \(|\Delta T|\lesssim T^2/\sqrt{NC}\) mertebesindedir ve \(L\) büyüdükçe daralır. Şekil 2'deki kesikli eğri yalnızca etkin bağımsız örnek sayısı \(N_{\rm eff}=(\sum w)^2/\sum w^2/2\tau\ge30\) olan aralıkta çizilir.
Sürekli simetri
Mermin–Wagner, BKT ve anizotropi
1 · Mermin–Wagner
2D'de sürekli simetri kırılmaz
Kısa menzilli etkileşimli 2D XY ve Heisenberg modellerinde \(T>0\)'da \(\langle\mathbf m\rangle=0\)'dır. Spin dalgası dalgalanmaları \(\int d^2k/k^2\) gibi logaritmik ıraksar.
Sonlu örgüde \(|m|\) sıfırdan farklıdır ve \(L\) ile yavaşça azalır. 2D Heisenberg'de \(\xi\propto e^{2\pi/T}\) düşük \(T\)'de örgüyü kolayca aşar; ekranda "düzenli" görünen durum bir sonlu boyut etkisidir. Binder eğrileri kesişmez.
2 · BKT geçişi
Girdap çiftlerinin çözülmesi
2D XY modelinde düşük \(T\)'de korelasyonlar cebirsel azalır (yarı-uzun-menzil düzen). \(T_{\rm BKT}\simeq0.893\)'te bağlı girdap–karşı girdap çiftleri çözülür ve helisite modülü evrensel bir sıçrama yapar:
Sonlu \(L\)'de \(\Upsilon\) sürekli düşer ve \(2T/\pi\) çizgisini \(T_{\rm BKT}\)'nin biraz üstünde keser; düzeltmeler \(1/\ln L\) ile çok yavaş söner. Binder kesişimi BKT için iyi bir ölçüt değildir: eğriler \(T_{\rm BKT}\) altında birleşir.
3 · 3D ve anizotropi
Evrensellik sınıfı \(n\)'ye bağlıdır
3D basit kübik örgüde \(T_c\): Ising \(4.5115\), XY \(2.2018\), Heisenberg \(1.4430\). Heisenberg modelinde etkin anizotropi \(A=(1-\lambda)-K\) düzen parametresinin bileşen sayısını değiştirir:
Küçük anizotropi \(T_c\) yakınında bir geçiş (crossover) yaratır: uzak ölçeklerde \(n=3\), yakında \(n=1\) ya da \(2\) davranışı. 2D'de kolay eksen Ising tipi geçişi, kolay düzlem BKT geçişini geri getirir. Sayfa \(U\)'yu seçilen anizotropiye uygun \(n\) ile hesaplar.
Potts ve frustrasyon
Birinci derece geçiş ve dejenere taban durumu
1 · q-durumlu Potts
Sürekliden birinci dereceye
2D kare örgüde öz-dualite \(T_c=1/\ln(1+\sqrt q)\) verir. \(q\le4\) için geçiş süreklidir (\(q=2\) Ising, \(q=3\): \(\nu=5/6\), \(q=4\): \(\nu=2/3\)), \(q>4\) için birinci derecedir: düzenli ve düzensiz faz \(T_c\)'de bir arada bulunur, \(P(e)\) çift tepelidir ve gizli ısı vardır.
\(q=5\)'te geçiş çok zayıf birinci derecedir; korelasyon uzunluğu \(T_c\)'de \(\sim2500\) örgü sabitidir. Tarayıcıda erişilebilen boyutlarda sürekli bir geçişten ayırt edilemez. Çift tepeyi görmek için \(q\ge8\) seçin.
2 · Frustrasyon
Üçgen örgüde AFM Ising
Bir üçgenin üç bağı aynı anda doyurulamaz. Taban durumunda her üçgende tam bir doyurulmamış bağ vardır: \(e_0=-|J|\), ancak bu durumların sayısı üstel olarak büyüktür. Wannier entropisi
\(T>0\)'da geçiş yoktur; korelasyonlar \(T\to0\)'da cebirsel olur. Sayfa üç alt örgülü \(\sqrt3\times\sqrt3\) düzen parametresini ve "kusur" olarak üç spini de eşit olan üçgenlerin oranını gösterir. Örgü kenarı 3'ün katı olmalıdır.
3 · Tavlama
Yavaş soğutma ve kusurlar
Benzetilmiş tavlamada \(T\) zamanla düşürülür. Yeterince yavaş soğutulan sistem taban durumuna yaklaşır; hızlı soğutulan sistem domen duvarlarını, girdapları ya da frustre kusurları dondurur. Kalan kusur yoğunluğu soğutma hızıyla azalır.
Küme algoritmaları frustre sistemlerde işe yaramaz: düşük \(T\)'de FK kümeleri bütün örgüyü kaplar ve kusurlar kaldırılamaz. Üçgen AFM'de Wolff'u Metropolis ile karşılaştırın. Bu, algoritmanın doğru ama pratikte donmuş olduğu bir örnektir.
Eleştirel notlar
Sınırlar ve dikkat edilecekler
Hesap sınırları
Simülasyon tümüyle tarayıcıda, sıradan bir dizüstü bilgisayarda çalışacak şekilde ayarlanmıştır. Örgü boyutları buna göre sınırlıdır: 1D \(N\le512\), 2D \(L\le128\) (üçgende 96), 3D \(L\le24\). Büyük sistemde kare başına hesap süresi sınırlandığı için ekrandaki hız düşer; sonuç değişmez, yalnızca bekleme uzar.
Taramalar arayüzü dondurmamak için ayrı bir iş parçacığında (Web Worker) çalışır. Tipik bir sonlu boyut ölçeklemesi (3 boyut × 16 sıcaklık × 4000 süpürme) birkaç dakika sürer. Telefon ve tabletlerde bu süre birkaç katına çıkabilir. Araştırma kalitesinde üs tahmini için çok daha büyük sistem ve ölçüm gerekir.
Kritik yavaşlama ve hata tahmini
\(T_c\) yakınında Metropolis'in korelasyon süresi \(L^{2.17}\) gibi büyür. Ölçüm bu süreye göre kısaysa bloklama platoya ulaşmaz ve hata çubuğu olduğundan küçük görünür. Aynı noktayı iki farklı tohum ya da iki algoritmayla tekrarlamak en güvenilir kontroldür.
Rastgele sayılar ve tekrarlanabilirlik
Üreteç xoshiro128**'dır ve tohumlanabilir. Aynı tohum, aynı parametreler ve aynı süpürme sayısı aynı sonucu verir. Taramada her nokta aynı zincirin devamıdır; noktalar bu yüzden tümüyle bağımsız değildir.
Spin dalgası laboratuvarıyla bağlantı
Stokastik LLG dinamiği ile Monte Carlo aynı kanonik dağılımı örnekler; dinamikleri farklıdır, denge ortalamaları aynıdır. Düşük \(T\)'de 3D izotropik FM için MC \(1-\langle|m|\rangle\simeq0.253\,T\) (Watson integrali) sonucunu vermelidir. Bu, klasik eşbölüşüm sonucudur; kuantum spinlerde Bloch \(T^{3/2}\) yasası geçerlidir.
Sonlu boyut ve \(T_c\)
Tepelerin konumu, eğimin büyüklüğü ve hatta \(|m|\)'nin \(T_c\) üstündeki sıfırdan farkı sonlu boyut etkileridir (\(\langle|m|\rangle\sim N^{-1/2}\)). Literatürdeki \(T_c\) değerleri \(L\to\infty\) ekstrapolasyonlarıdır; tek bir küçük \(L\)'deki tepe onları birkaç yüzde farkla verir.
Kapsam dışında kalanlar
Uzun menzilli (dipolar) etkileşim, düzensizlik (spin camı), DMI ve skyrmion yapıları, Wang–Landau ve paralel tempering bu sürümde yoktur. Birinci derece geçişlerde ve frustre sistemlerde bu yöntemler zinciri metastabil durumlardan kurtarmak için gereklidir.
Kapsam
Modeller ve referans değerler
\(J=1\), \(k_B=1\), \(|\mathbf S|=1\). "Kesin" işaretli değerler analitik, diğerleri yüksek hassasiyetli MC sonuçlarıdır.
Model ve örgü
\(T_c\)
Görülecek fizik
1D Ising, XY, Heisenberg
yok
\(\xi\) sonlu; kesin \(e(T)\): \(-\tanh\beta\), \(-I_1(\beta)/I_0(\beta)\), \(-(\coth\beta-T)\)