1. Tanım ve normalizasyon
Bir şekillenimin Fourier bileşenleri ve statik (eşit-zaman) yapı faktörü
Spin ekseni \(\hat z\)'ye göre boyuna ve enine kısımlar \(s_\parallel=s^{zz}\), \(s_\perp=s^{xx}+s^{yy}\). Alışılmış tanım \(S^{\alpha\beta}(\mathbf q)=\frac1N\sum_{ij}\langle S^\alpha_iS^\beta_j\rangle e^{i\mathbf q\cdot(\mathbf r_i-\mathbf r_j)}=N\,s^{\alpha\beta}(\mathbf q)\)'dir. Burada \(1/N^2\) kullanılmasının nedeni şu: bir Bragg pikinin yüksekliği doğrudan o dalga vektöründeki düzenli momentin karesi olur ve \(N\)'den bağımsızdır; düzensizlikten gelen difüz katkı ise \(O(1/N)\) kalır.
Toplam kuralı. Parseval özdeşliği
verir. Şekillenim ne olursa olsun toplam ağırlık sabittir; yapı faktörü yalnızca bu ağırlığın \(\mathbf q\) uzayında ve bileşenler arasında nasıl dağıldığını söyler. Okuma satırındaki Σs∥ ve Σs⊥ bu kuralı her adımda denetler.
Korelasyon fonksiyonu. \(C^{\alpha\alpha}(\mathbf r)=\frac1N\sum_j\langle S^\alpha_jS^\alpha_{j+\mathbf r}\rangle=\sum_{\mathbf q}s^{\alpha\alpha}(\mathbf q)\,e^{i\mathbf q\cdot\mathbf r}\) (Wiener–Khinchin). Keskin pik uzun menzilli korelasyona, genişlemiş pik sönen korelasyona karşılık gelir (Şekil 4).
Gerçeklik ve kiralite. Spinler gerçel olduğundan \(\mathbf S_{-\mathbf q}=\mathbf S_{\mathbf q}^{*}\) ve \(s(\mathbf q)=s(-\mathbf q)\): pikler her zaman ±q çiftleri halinde gelir. Sarmalın dönme yönü \(s\)'de görünmez, yalnız antisimetrik kısımda görünür:
xy düzleminde saat yönünün tersine dönen bir sarmal için \(\chi_z(\pm\mathbf Q)=\pm\tfrac12\). Deneyde bu terim polarize nötronla ölçülür.
2. Düzenli yapılar: Bragg pikleri
Tek dalga vektörlü (tek-Q) genel bir yapı \(\mathbf S_j=\mathbf m_0+\mathrm{Re}\big[\mathbf m_{\mathbf Q}\,e^{i\mathbf Q\cdot\mathbf r_j}\big]\) biçimindedir; \(\mathbf m_{\mathbf Q}\) karmaşık bir vektördür. Buradan doğrudan
çıkar. Bileşen ayrımı yapının geometrisini kodlar:
- xy düzleminde sarmal, \(\mathbf m_{\mathbf Q}=\hat x-i\hat y\): yalnız enine, \(s_\perp(\pm\mathbf Q)=\tfrac12\).
- ẑ'yi içeren düzlemde sarmal (Bloch ya da Néel tipi): ağırlık eşit bölünür, \(s_\parallel(\pm\mathbf Q)=s_\perp(\pm\mathbf Q)=\tfrac14\).
- Konik sarmal, düzlem dışı eğim \(\alpha\): \(s_\parallel(0)=\sin^2\alpha\), \(s_\perp(\pm\mathbf Q)=\tfrac12\cos^2\alpha\). Ferromanyetik ve sarmal düzen aynı anda, farklı bileşenlerde görünür.
- Néel ve şerit düzeni: Q bölge sınırındadır, \(\mathbf Q\equiv-\mathbf Q\); tüm ağırlık tek bir noktada toplanır, \(s_\parallel(\mathbf Q)=1\).
- Üçgen örgüde 120° düzen: \(\mathbf Q=\mathrm K\); K ve K′ = −K noktalarında \(s_\perp=\tfrac12\).
3. Modülasyon: genlik, faz ve harmonikler
Gerçek uzayda iki fonksiyonun çarpımı, \(\mathbf q\) uzayında Fourier bileşenlerinin katlamasıdır (konvolüsyon). Bu sayfadaki bütün “modülasyon” davranışı bu tek ilkenin sonucudur.
Genlik modülasyonu (SDW) ve kareleşme
\(S^z_j=A\cos(\mathbf Q\cdot\mathbf r_j+\psi_0)\) için \(s_\parallel(\pm\mathbf Q)=A^2/4\) ve \(\sum_{\mathbf q}s_\parallel=A^2/2\). \(A=1\) iken toplam ½'dir: sinüs biçimli SDW, \(|\mathbf S|=1\) kısıtıyla bağdaşmaz. Klasik bir modelde böyle bir yapı ancak ısıl ortalama olarak (örneğin \(T_N\)'in hemen altında) ya da gezgin elektron sistemlerinde ortaya çıkar. Sıcaklık düştükçe yapı “kareleşir”; burada bu süreç \(f(u)=\tanh(\beta\cos u)/\tanh\beta\) ile modelleniyor. \(\beta\to\infty\) sınırında
Harmonikler örgüde \(n\mathbf Q-\mathbf G\) noktalarına katlanır. ↑↑↓↓ yapısında (\(Q=\pi/2\)) 3. harmonik \(3\pi/2\equiv-\pi/2\)'ye düşer ve temel pikle üst üste biner. Bu yüzden ↑↑↓↓, kare dalga olduğu halde yalnız iki pik gösterir.
Faz modülasyonu: yelpaze yapısı
\(\mathbf S=(\sin\phi,0,\cos\phi)\), \(\phi=\phi_m\sin u\). Jacobi–Anger açılımı \(e^{i\phi_m\sin u}=\sum_n J_n(\phi_m)e^{inu}\) doğrudan
sonucunu verir: boyuna bileşende çift, enine bileşende tek harmonikler. Bir bileşendeki faz modülasyonu ağırlığı diğer bileşenin harmoniklerine aktarır.
Sabit uzunluk kısıtı
Çok-Q yapıları \(\mathbf m=m_0\hat z+\sum_i[\hat z\cos(\mathbf Q_i\cdot\mathbf r)+\hat e_i\sin(\mathbf Q_i\cdot\mathbf r)]\) biçiminde kurulup sonra \(|\mathbf m|=1\)'e normalize edilir. Normalizasyon doğrusal olmayan bir işlemdir ve \(\mathbf Q_1+\mathbf Q_2\), \(2\mathbf Q_1\) gibi birleşim harmonikleri üretir. “|S| = 1 normalizasyonu” kutusu kapatıldığında bu pikler kaybolur ve spin uzunluğu düzgünlüğünü yitirir. Kutu kapalıyken işlem doğrusaldır: m₀ yalnızca q = 0 pikini değiştirir, temel pikler yerinde kalır.
4. Süperpozisyon: pikler şekillenimi nasıl kurar?
Ters dönüşüm \(\mathbf S_j=\frac1N\sum_{\mathbf q}\mathbf S_{\mathbf q}e^{i\mathbf q\cdot\mathbf r_j}\) bir ±q çiftini tek bir gerçel düzlem dalgaya dönüştürür:
Her pik bir dalgadır. Dalganın genliği pik yüksekliğinin karekökünden okunur, fazı ise yapı faktöründe hiç yoktur. Şekil 3 seçili her dalgayı ve toplamlarını gösterir. Parseval'a göre sentezin hatası
yani seçilmeyen ağırlığın toplamıdır. Okuma satırında “yakalanan ağırlık” olarak görünür.
Faz problemi
“Fazları karıştır” düğmesi seçili her ±q çiftinin her bileşenine rastgele bir faz verir; her basış yeni bir faz takımı çeker, “Gerçek fazlar” orijinale döner. \(|S_{\mathbf q}|\) ve dolayısıyla yapı faktörü değişmez, gerçek uzaydaki desen ise tamamen değişir. Yapı faktörü tek başına şekillenimi belirlemez. Kırınım deneylerinden manyetik yapı çözmenin temel zorluğu budur.
Çok-Q mı, çok alan mı?
Kare örgüde iki dik sarmaldan oluşan çift-Q skyrmion örgüsü ile Q₁ ve Q₂ yönelimli tek-Q alanlarının karışımı, temel piklerde aynı resmi verir: ±Q₁ ve ±Q₂. Ayrım için şunlara bakılır: (i) yalnızca gerçek çok-Q yapıda bulunan \(\mathbf Q_1\pm\mathbf Q_2\) harmonikleri (zayıftır; deneyde çoklu saçılmayla karışabilir), (ii) alan ya da gerilmeyle tek bir alan türünün seçilmesi, (iii) gerçek uzay görüntüleme. Topolojik yük de gerçek uzay niceliğidir ve okuma satırında Berg–Lüscher toplamı olarak verilir:
Çift-Q yapısında \(m_0\neq0\) iken manyetik birim hücre başına \(Q_\text{top}=\mp1\) olur; işaret m₀ ile değişir. \(m_0=0\)'da normalize edilecek alan bazı sitelerde tam sıfırdır: orada spin yönü ve \(Q_\text{top}\) tanımsızdır. Bu rastlantı değildir; sürekli bir dokuda topolojik yük ancak \(|\mathbf m|\)'nin bir yerde sıfırlandığı böyle bir tekillikten geçerek değişebilir. Üç-Q yapısında da aynı şey olur: m₀ arttıkça hücre başına yük \(+1\) (\(m_0<1\)), \(-2\) (\(1
Meron–antimeron örgüsü. Kare örgüde \(\mathbf m\propto(\sin Qx,\ \sin Qy,\ 0.5\cos Qx)\) her periyotta iki girdap ve iki karşı-girdap içerir; çekirdeklerin yarısı \(+\hat z\), yarısı \(-\hat z\) yönündedir. Her çekirdek yaklaşık \(\pm\tfrac12\) yük taşır (bu örgüde ±0.42; çekirdekler daraldıkça ½'ye yaklaşır), toplam yük sıfırdır. Temel pikler yine \(\pm\mathbf Q_1\), \(\pm\mathbf Q_2\)'dedir: aynı pik konumları üç farklı topolojiye (skyrmion, meron–antimeron, alan karışımı) karşılık gelebilir.
5. Düzensizlik ve pik biçimi
İlintisiz dalgalanmalar. \(\mathbf S_j=\langle\mathbf S_j\rangle+\delta\mathbf S_j\) ve farklı sitelerde ilintisiz \(\delta\mathbf S\) için
Pik genişlemez: Bragg ağırlığı azalır (Debye–Waller benzeri) ve kaybolan ağırlık \(\mathbf q\) uzayına düz bir arka plan olarak yayılır. Yön gürültüsü η ve boşluk oranı p bunu gösterir. Boşluklar için Bragg ağırlığı \((1-p)^2\), toplam ise \(1-p\) olur.
Faz düzensizliği (1D). Modülasyonun fazına uzun dalga boylu rastgele bir alan eklenir: \(\langle\Delta\phi^2(r)\rangle=2r/\xi\). Gauss alan için \(\langle\cos\Delta\phi\rangle=e^{-r/\xi}\), dolayısıyla \(C(r)\propto\cos(\mathbf Q\cdot\mathbf r)\,e^{-r/\xi}\). 1D'de bu, Lorentz biçimli bir pike karşılık gelir:
Okuma satırındaki ξ, pikin yarı yükseklikteki yarı genişliğinden Lorentz varsayımıyla hesaplanır ve girilen ξ ile %10–20 içinde uyuşur. Yön gürültüsü η ile karşılaştırın: η pikin yüksekliğini düşürür ama onu genişletmez; ξ ise piki genişletir. Uzun ve kısa menzilli düzen arasındaki fark budur. Bu ayar yalnız 1D'de var: 2D'de üstel korelasyonun dönüşümü Lorentz değildir ve sonlu torusta faz farkı doyduğu için yanıltıcı bir artık Bragg piki kalır. 2D'de pik genişlemesini antifaz ve yönelim alanları gösterir.
Alanlar. Ortalama boyutu ℓ olan alanlar pikleri \(\sim2\pi/\ell\) kadar genişletir (Laue fonksiyonu). Antifaz alanlarında Q kaymaz, yalnızca genişlik artar. ±M alanlarında duvar içindeki spinler enine bileşen kazandığı için \(s_\perp\) küçük \(q\)'larda yükselir.
Labirent: halka biçimli yapı faktörü. |q| ≈ Q kabuğundaki bütün dalgalar rastgele fazlarla toplanınca yerel dalga boyu sabit, yönü rastgele şeritler oluşur. Yapı faktörü artık ayrık pikler değil, yarıçapı Q olan bir halkadır. Halka, “dalga boyu belli, yön belli değil” demektir; toz ortalaması ve SANS'ta görülen halkalarla aynı anlamı taşır. |S| = 1 normalizasyonu dalgaları birbirine bağlar ve ağırlığın bir kısmını halkanın dışına (harmoniklere) taşır. Net moment m₀ arttıkça şeritler kopar; kiral labirentte yalıtılmış skyrmionlar ve solucanlar karışımı ortaya çıkar, halka ise q = 0 piki eklenmiş olarak kalır. Küçük örgülerde kabukta az nokta bulunduğundan halka benekli görünür.
Tek örnek ve topluluk. Rastgele bir şekillenimin tek anlık \(s(\mathbf q)\)'su gürültülüdür (benek deseni): her \(\mathbf q\)'daki değer üstel dağılımlıdır ve dalgalanması ortalaması kadardır. Düzgün bir Lorentz ya da düz bir arka plan ancak topluluk ortalamasıyla ortaya çıkar. Sentez ise tek bir anlık görüntünün karmaşık genliklerini kullanır, çünkü ortalama \(|S_{\mathbf q}|^2\)'nin fazı yoktur.
6. Eleştirel notlar
- Eşit-zaman ve elastik. Burada hesaplanan \(S(\mathbf q)=\int S(\mathbf q,\omega)\,\mathrm d\omega/2\pi\)'dir. Bragg pikleri elastik (\(\omega=0\)) kısımdır, difüz kısmın bir bölümü ise inelastiktir. Enerji analizi yapılmayan kırınım ölçümü eşit-zaman korelasyonuna ancak quasi-statik yaklaşımda (gelen enerji manyetik enerjilerden çok büyük) eşittir.
- Deneyde ölçülen projeksiyon. Manyetik nötron kesiti \(\propto|F(\mathbf q)|^2\sum_{\alpha\beta}(\delta_{\alpha\beta}-\hat q_\alpha\hat q_\beta)S^{\alpha\beta}(\mathbf q)\)'dir. Yalnız \(\mathbf q\)'ya dik bileşenler görülür ve form faktörü yüksek \(q\)'da sinyali bastırır. Buradaki ∥/⊥ ayrımı spin eksenine (ẑ) göre yapılan kuramsal bir ayrımdır, nötronun “boyuna/enine”si ile aynı şey değildir.
- Klasik ve kuantum. Kuantum spinlerde toplam kuralı \(S(S+1)\) olur ve Bragg ağırlığı \(m^2\le S^2\)'dir. Sıfır-nokta dalgalanmaları ağırlığı Bragg pikinden difüz arka plana aktarır. 2D S = ½ Heisenberg antiferromanyetinde \(m\approx0.307\) olduğundan, toplam ağırlığın yalnızca \(m^2/S(S+1)\approx\%13\)'ü Bragg pikindedir.
- Sonlu periyodik örgü. Q her zaman \(2\pi m/L\) ızgarasındadır, gerçek anlamda bir orantısızlık (inkommensurabilite) yoktur. Harmonikler bölgeye katlanır ve pik genişliği \(2\pi/L\)'den küçük olamaz.
- Reçete, minimizasyon değil. Şekillenimler analitik reçetelerdir. Bir Hamiltoniyenin taban durumu ya da ısıl dengesi oldukları iddia edilmez. Sinüs SDW ve normalize edilmemiş çok-Q yapıları \(|\mathbf S|=1\)'i bilerek ihlal eder.
- Bileşen ayrımının sınırı. \(s_\perp=s^{xx}+s^{yy}\) toplamı \(\hat z\) etrafındaki dönmelere karşı değişmezdir. Düzlem içi yönelim bilgisi ayrıca \(s^{xx}\), \(s^{yy}\) ve \(\chi_z\) ister.
7. Şekillenim tablosu
| Şekillenim | Pikler | s∥ | s⊥ | Ne öğretir |
|---|---|---|---|---|
| FM, θ eğik | q = 0 | cos²θ | sin²θ | Tek pik, bileşen ayrımı yönelimi verir |
| Néel / şerit | Q = (π,π) / (π,0) | 1 | 0 | Bölge sınırında Q ≡ −Q |
| Sarmal (xy) | ±Q | 0 | ½ + ½ | Kiralite yalnız χz'de |
| Sarmal (Bloch/Néel) | ±Q | ¼ + ¼ | ¼ + ¼ | Dönme düzlemi ∥/⊥ oranında |
| Konik, α | 0, ±Q | sin²α | ½cos²α + ½cos²α | FM ve sarmal farklı bileşenlerde |
| SDW (sinüs) | ±Q | ¼ + ¼ | 0 | Σ = ½: sabit uzunluk ihlali |
| Kareleşmiş SDW | ±nQ, n tek | 4/(π²n²) | 0 | Harmonikler, katlanma |
| Yelpaze, φₘ | 0, ±nQ | J²₀, J²₂, … | J²₁, J²₃, … | Faz modülasyonu, Bessel ağırlıkları |
| Çift-/üç-Q skyrmion | ±Qᵢ, Qᵢ ± Qⱼ, 0 | normalizasyona bağlı | Birleşim harmonikleri, Qtop | |
| Meron–antimeron (kare) | ±Q₁, ±Q₂ | skyrmion örgüsüne benzer | Aynı pikler, Q_top = 0, çekirdek başına ≈ ±½ | |
| Labirent (eş doğrusal / kiral) | |q| ≈ Q halkası | halka; kiralda ∥ ve ⊥ eşit | Sabit dalga boyu, rastgele yön | |
| Yönelim alanları | ±Qᵢ (genişlemiş) | çift-Q ile aynı temel pikler | Çok-Q / çok-alan belirsizliği | |
| Kısa menzilli sarmal (1D) | ±Q (Lorentz) | 0 | YYYG ≈ 1/ξ | Pik genişliği ↔ korelasyon uzunluğu |
| Paramanyet | yok | ≈ 1/(3N) | ≈ 2/(3N) | Düz arka plan, benek gürültüsü |
8. Sayısal doğrulama
Çekirdek kod, analitik sonuçlarla karşılaştırıldı (tek örnek, düzensizlik yok).
| Durum | Nicelik | Analitik | Hesaplanan |
|---|---|---|---|
| Sarmal xy, N = 96, Q = π/6 | s⊥(±Q), χz(±Q) | 0.5, ±0.5 | 0.50000, ±0.50000 |
| Konik, α = 35° | s∥(0) / s⊥(Q) | 0.32899 / 0.33551 | 0.32899 / 0.33551 |
| Kare SDW, N = 240, periyot 48 | s∥(nQ), n = 1, 3, 5 | 0.4053, 0.0450, 0.0162 | 0.4059, 0.0456, 0.0168 |
| ↑↑↓↓ | s∥(±π/2) | 0.5 | 0.50000 |
| Yelpaze, φₘ = 90° | J²₀, J²₁, J²₂, J²₃ | 0.2228, 0.3213, 0.0624, 0.0048 | 0.2228, 0.3213, 0.0624, 0.0048 |
| 120° (üçgen, L = 36) | s⊥(K), s⊥(K′) | 0.5, 0.5 | 0.50000, 0.50000 |
| Çift-Q skyrmion, L = 32, 16 hücre | Qtop (m₀ = ±0.5) | ∓16 | ∓16.000 |
| Üç-Q skyrmion, L = 36, 9 hücre | Qtop (m₀ = 0.5) | 9 | 9.000 |
| Meron–antimeron, L = 32 | Qtop, çekirdek yükleri, normalizasyon öncesi min |m| | 0, ±½ (ideal), > 0 | 0.000, ±0.42, 0.50 |
| Üç-Q, L = 36, m₀ = 1.2 / 2 | Qtop / hücre | −2 / 0 | −2.000 / 0.000 |
| Faz düzensizliği 1D, N = 240, 64 örnek | ξ (YYYG'den) | 4, 8, 16 | 4.8, 9.2, 16.8 |
Kare SDW'deki küçük fark sürekli kare dalga ile örgüde örneklenmiş kare dalga arasındaki farktır. ξ'deki sapma, periyodik halkada faz farkının \(r(N-r)/N\) biçiminde büyümesinden ve sonlu örnek gürültüsünden gelir.
9. Teknik not
- Tek dosya, kurulum yok. Sayfa tek bir HTML dosyasıdır: HTML, CSS ve düz JavaScript. Derleme, eklenti ya da ek program gerekmez. Güncel bir tarayıcıda (Chrome, Firefox, Safari, Edge) açılır; telefon ve tablette de çalışır.
- Hesaplar tarayıcıda. Şekillenimlerin üretimi, ayrık Fourier dönüşümü, yapı faktörü, korelasyon fonksiyonu, Berg–Lüscher topolojik yükü ve Fourier sentezi sayfanın içindeki JavaScript koduyla yapılır. Fourier dönüşümü ayrılabilir doğrudan DFT'dir (2D'de \(O(L^3)\)); harici bir sayısal kütüphane kullanılmaz. Sunucu tarafı yoktur, hiçbir veri bir yere gönderilmez.
- Çizimler. Bütün şekiller HTML5 Canvas 2D ile, grafik kütüphanesi kullanılmadan çizilir. Renkler işletim sisteminin açık/koyu tema tercihine uyar.
- İnternetten yüklenenler. Yalnız iki şey: formülleri dizmek için MathJax 3.2.2 (cdnjs) ve yazı tipleri (Google Fonts: Spectral, IBM Plex Sans, JetBrains Mono). Bağlantı yoksa simülasyon tam olarak çalışır; yazı tipleri sistem yazı tiplerine düşer, formüller ise ham TeX olarak görünür.
- Tekrarlanabilirlik. Rastgele sayılar tohumlu bir üreteçle (mulberry32) üretilir. Aynı ayarlar ve aynı örnek numarası her bilgisayarda aynı şekillenimi verir.
- Yayınlama. Dosyayı herhangi bir statik web sunucusuna kopyalamak yeterlidir. Türkçe ve İngilizce sürümler aynı klasörde durmalıdır; sayfa başındaki dil bağlantısı birbirine yönlendirir. Laboratuvarı doğrudan tam sayfa açmak için adresin sonuna
#laboratuvareklenir. - Kaynak kod. Kodun tamamı dosyanın içindedir ve tarayıcıda “kaynağı görüntüle” ile okunabilir.