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量子相變理論取得重要研究進展
 
2021-03-01 | 文章来源:        【 】【打印】【關閉

  我国科学家在量子相變理論取得重要研究進展,中國科學院金属研究所张志东研究员求出二维横场伊辛模型的精确解。这是张志东研究员在求出铁磁性三维伊辛模型精确解、确定自旋玻璃三维伊辛模型计算复杂度下限之后取得的又一项重要研究成果。近期,相关研究结果以“Exact solution of two-dimensional (2D) Ising model with a transverse field: a low-dimensional quantum spin system”爲題發表在Physica E(128 (2021) 114632) 

  相變存在于自然界的許多物質中,是物理學研究的重要課題。相變按照其物理性質的變化規律可以分爲一級相變和二級相變。在相變點,能量對物理變量的一級導數不連續的相變爲一級相變,能量對物理變量的二級導數不連續的相變爲二級相變,也稱爲連續相變。二級相變的臨界點處存在非常有趣的臨界現象,有經典的二級相變和量子的二級相變。經典的二級相變是隨著溫度的變化而發生的連續相變,通常發生在磁性材料中的鐵磁-順磁相變、合金中的有序-無序相變、超導材料中的超導態-正常態相變、液氦中的超流-正常液體轉變等。量子相變爲發生在零溫以及附近的相變,通過改變磁場、電場、壓力、摻雜量、有序度等物理量使物理體系在零溫以及附近出現相變。量子相變廣泛存在于磁性材料、鐵電材料、超導材料、金屬-絕緣體轉變體系、量子霍爾效應體系等體系中。深入理解量子相變也是凝聚態物理的重要研究方向。 

  伊辛模型是一個非常重要的理論模型,可以用來描述在多體相互作用自旋體系的物理性能和相變過程。通常可以用零磁場下二維伊辛模型和三維伊辛模型分別描述在二維材料和三維材料中的經典相變。三維伊辛模型精確解是物理學的百年難題。二維橫場伊辛模型可以用來描述在二維體系的量子相變。這裏橫向磁場使伊辛模型中的自旋具有量子的特征。同時,橫場起到經典相變過程中溫度的作用。二維橫場伊辛模型精確解是與三維伊辛模型精確解同等難度的問題。張志東研究員根據二維橫場伊辛模型與三維伊辛模型之間的等價關系,確定了兩個模型之間參數對應關系,再利用前期工作中求出的三維伊辛模型精確解直接推導出二維橫場伊辛模型的精確解。 

  近年來,隨著對石墨烯爲代表的二維材料的研究,二維材料成爲一個研究量子相變的平台。二維橫場伊辛模型精確解可以應用于二維磁性材料、鐵電材料、超導材料、金屬-絕緣體轉變體系、量子霍爾效應體系等中的量子相變,對深入理解量子相變具有極其重要的意義。三維伊辛模型可以被映射爲許多物理模型,並且可以應用到物理、化學、生物、數學、計算機、經濟、社會等學科領域。本項工作表明,前期工作中獲得的三維伊辛模型精確解可以推廣應用,用來解釋許多相關體系的物理性質和相變過程。 

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