научная статья по теме МОЛЕКУЛА ГАЙЗЕНБЕРГА Физика

Текст научной статьи на тему «МОЛЕКУЛА ГАЙЗЕНБЕРГА»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 4, с. 339-342

^ ТЕОРИЯ

МЕТАЛЛОВ

УДК 537.611.4

МОЛЕКУЛА ГАЙЗЕНБЕРГА

© 2014 г. А. В. Кузнецов

Уральский федеральный университет, 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail: al.vas.kuz@gmail.com Поступила в редакцию 18.04.2013 г.; в окончательном варианте — 05.06.2013 г.

Рассмотрен находящийся в термостате магнитный нанокластер, состоящий из двух больших спинов с обменным взаимодействием по Гайзенбергу. Найдены зависимости ряда физических величин, характеризующих кластер, от температуры. Указаны границы применимости полученных результатов.

Ключевые слова: обменное взаимодействие, нанокластер, большие спины, термостат, статистическая сумма, внутренняя энергия, теплоемкость, свободная энергия, энтропия, третье начало термодинамики.

БО1: 10.7868/80015323014040093

В последнее время в связи с интенсивным развитием спинтроники и квантовой информатики активно изучаются экспериментально и теоретически магнитные молекулярные нанокластеры (магнитные квантовые точки) [1, 2, 3]. Часто в состав нано-кластеров входят весьма большие спины [3]. В ряде работ (напр., [4, 5]) обсуждалась зависимость свойств магнитных нанокластеров от температуры. Но термодинамика простейшей модели — два больших спина с обменным взаимодействием по Гайзенбергу — насколько нам известно, не была рассмотрена. В настоящей работе найдены зависимости некоторых физических характеристик такой "молекулы Гайзенберга" от температуры кристалла, частью которого является нанокластер. Указаны границы применимости полученных результатов.

Энергия обменного взаимодействия двух одинаковых спинов большой величины S равна

и = -1Б2 ео8 д, (1)

где J — обменный параметр, Э — угол между спинами. Статистическая сумма Z для этой системы представляет собой интеграл от ехр(— Л/кТ) по азимутальным и полярным углам, определяющим направления спинов:

Z = (4n)2ish1.

t

(2)

Здесь параметр I = кТ/ЩЗ2; к — постоянная Больц-мана, Т — температура кристалла, частью которого является рассматриваемый кластер.

Для среднего значения механической энергии Л, т.е. внутренней энергии

E = kT2 — ln Z, dT

независимо от знака J, получаем выражение

е!ЩБ2 = г - еШ1. (4)

Очевидно, величина Е от значения —ЩЗ2 при Т = 0 по мере роста Т стремится к нулю снизу. Для ее производной по температуре теплоемкости С находим

C/k = 1 -

1

tsh

(5)

При неограниченном росте температуры величина С стремится к нулю, а при стремлении температуры к нулю пределом С является к, в противоречии с известным следствием из третьего начала термодинамики. Конечно, этот результат определяется тем, что мы рассматриваем спины как классические векторы.

Зная С, мы можем сразу написать выражение для флуктуации внутренней энергии Д(Е):

Д(E)/| JS2 = Jt2 - cosech2-.

(6)

При Т = 0 флуктуации отсутствуют, при неограниченном повышении температуры пределом

правой части (6) является 1/-\/3.

Обратимся теперь к свободной энергии Е = = —kTlnZ. При любом знаке обменного параметра

F/| JS2 = -t ln

( 4 я)21 sh -

(7)

При стремлении температуры к Т = 0 величина Е стремится к значению — \J\Si2, при достаточно

10

Рис. 1. Зависимость энтропии 5 ^ = kT/\J\S2.

= S/к от параметра t =

10 t

Рис. 2. Зависимость величины суммарного спина от температуры t для случая J < 0 (нижняя кривая) и J > 0 (верхняя кривая).

1

2

3

4

5

t

5

6

0

2

4

8

больших температурах она падает по мере роста Т практически по линейному закону.

Дифференцируя свободную энергию по температуре, получаем для энтропии выражение

S/k = 1 - 1 cth1 + ln

t t

( 4я)21 sh1

(8)

Из него следует, что при неограниченном росте температуры энтропия приближается к предельному значению 21п4я = 5.062 снизу, а при стремлении температуры к нулю она неограниченно уменьшается по логарифмическому закону, опять-таки вступая в противоречие с третьим началом термодинамики. Графически зависимость з = Б/к от температуры t представлена на рис. 1. Чуть позднее мы обсудим вопрос о том, какие температуры являются достаточно высокими для того, чтобы выражение (8) адекватно описывало поведение энтропии.

Обратимся теперь к температурной зависимости модуля суммарного спина системы Б0. Очевидно,

0 х

(9)

|S0|(T) = 4п |йфJs^VT + cos

00 jS 0

exp — cos 0

х-—-3 d0.

( 4 n)2kT sh JS2 JS2 kT

Эта величина зависит от знака обменного параметра.

При J > 0 получаем

|So|(t) = 2 S

2 sh1

1 - '2

(10)

Здесь ¥(£) есть специальная функция

г

2-2

F(г) = в~г \ex dx,

(11)

известная как интеграл Досона (Dowson integral) [6]. При J < 0 имеем

| S o | (t) = _e

2S

2 sh-

- yf3 ?

1A/2V2 t

(12)

t

Здесь у(а, z) есть специальная функция, известная как неполная гамма-функция [6]:

у(а, г) = |<

e 'ta 1 dt.

(13)

Графики зависимости модуля суммарного спина Б0 от параметра t приведены на рис. 2.

Общей асимптотой графиков является прямая

N(0 = 2

2 Б 3.

Иногда большая величина спина рассматривается как оправдание возможности считать его классическим вектором, каким обычно спин не является [7]. Это тем более не может быть верным при достаточно низких температурах. Определим температуру, выше которой наш подход может быть адекватен. Для этого найдем температурную зависимость энтропии нашего кластера с помощью квантовой механики.

Собственные значения оператора, приходящего на смену выражению (1) в этом случае, хорошо известны (в приближении слабой связи) [8]:

ВД = - 2 [а(а + 1) - 2 Б( Б + 1)]. (14)

o

г

o

2

п п

МОЛЕКУЛА ГАЙЗЕНБЕРГА

341

Возможные при данном З значения суммарного спина а перечислены ниже:

а = 0, 1, 2, ... 2З. (15)

Уровни энергии Е(а) в отсутствие внешнего магнитного поля (2а + 1) — кратно вырождены по величине проекции а на любое выбранное нами направление. Поэтому статистическая сумма в квантовом случае определяется выражением

= ехр

2S

Б{ S + 1 ) ■ к Т .

^ (2 а + 1) ехр

а(а + 1) Г . 2 к Т

г = 0

2 + = ехр

S + 11"

S 1.

2 S

^ ( 2 а + 1) ехр

а = 0

а(а + 1) Г1

■ 2S2 г

и для J < 0

2 _ = ехр

г

'£+11 1_ s

1]

^ (2а + 1) ехр

а(а + 1) Г1"

2 S2 1

5 +

г

= 1п I ^ (2 а + 1) ехр

^ а(а + 1)(2а + 1) ехр

а = 0

а(а + 1) Г1" ■ 2S2

а(а + 1) Г1"

2S2

2S2г ^ (2а + 1) ехр

а = 0

При J < 0 имеем

( 2S

а(а + 1) Г1

■ 2 S2 ^

= 1п I ^ (2 а + 1) ехр

^ а = 0

^ а(а + 1)(2а + 1)ехр

а = 0

а(а + 1) Г1

2 S2 г-I

а(а + 1) Г1"

2S2 1

2S

2Б1 г ^ (2а + 1) ехр

а = 0

а(а + 1) Г1 2S2 ~г-

(16)

-1 -

Введем, как и раньше, параметр I = кТ/^З2. Тогда для J > 0

(17)

(18)

(19)

(20)

Рис. 3. Зависимость энтропии молекулы от параметра I при З = 1/2 и J > 0 (верхняя кривая) и J < 0 (нижняя кривая).

В предельно квантовом случае З = 1/2 эти формулы сводятся к

^ = 1п ( 3 е1/т + е~3/т) - 3

, 1/т -3/т

3 е - е

т 3 е1/т + е

-3/т

(22)

и

Отсюда мы получаем выражение для энтропии в случае J > 0:

3 -1/т 3/т

5 - = 1п(3е1/т + е-3/т) + 3 -е-——, (23)

г у -п -1/т 3/т' 4 '

т 3е + е

соответственно, где т = 4кТ/\Т\. На рис. 3 представлены графики функций и++ и и—.

При высоких температурах графики сливаются, так как у функций есть общая асимптота ж = = 21п2. При температуре, стремящейся к нулю, предельным значением и + является 1п3, а и _ —

гг

ноль. По мере роста величины спина 8 общий характер кривых не меняется, но их общее плато поднимается к значению 21п(2З + 1) _ логарифму полного числа всевозможных состояний. В качестве предельного значения и + при стремящейся к

нулю температуре выступает 1п(4З + 1) _ логарифм кратности вырождения основного состояния. При J < 0 энтропия стремится к нулю при стремящейся к нулю температуре.

Таким образом, поведение энтропии, полученной в классическом расчете, качественно отличается при низких температурах от истинного. Конечно, это и заранее было ясно из общих соображений о соотношении классической и квантовой теории (впрочем, вопрос об этом соотношении и сегодня дискутируется [3]). Однако упомянутые различия в нашем конкретном случае ясно указывают на границу применимости классического подхода при низких температурах, вне зависимо-

1

х

X

X

X

X

х

0

а

а

температурах один устремляется к отрицательной бесконечности, другой к нулю, а третий — к 21п5.

Благодарю И.Н. Левченко за помощь и Н.Г. Бе-бенина и В.В. Меньшенина за интерес к работе.

Рис. 4. Зависимость 5 + и s _ для S = 6 и "классиче-q q

ской" 5 от параметра t.

сти от величины спина Б. Но при высоких температурах качественная разница в поведении энтропии "классической" и "квантовой" исчезает. Ниже приведены графики зависимостей и э для

Б = 6 от параметра I вместе с результатом для больших спинов.

Мы видим, что при I > 0.2 все три графика практически сливаются, но при более низких

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фраерман А.А. Магнитные состояния и транспортные свойства ферромагнитных наноструктур // УФН. 2012. Т. 182. № 12. С. 1345-1351.

2. Звездин А.К., Костюченко В.В., Платонов В.В., Попов А.И., Селемир В.Д., Таценко О.М. Магнитные молекулярные нанокластеры в сильных магнитных полях // УФН. 2002. Т. 172. № 11. С. 1303-1306.

3. Звездин А.К. Магнитные молекулы и квантовая механика // Природа. 2000. Т. 12.

4. Хамзин А.А., Нигматуллин Р.Р. Термодинамика модели равных спин-спиновых взаимодействий // ТМФ. 2010. Т. 165. № 1. С. 160-176.

5. Еремина Р.М. Теплоемкость магнитных кластеров с S = 2 в YBa2Cu3O7- s // ФТТ. 1997. T. 39. № 8. C. 1320-1322.

6. Справочник по специальным функциям. М.: Наука, 1979.

7. Андреев А.Ф., Марченко В.И. Симметрия и макроскопическая динамика магнетиков // УФН. 1980. T 130. № 1. C. 39-63.

8. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика, §31. М.: Наука, 1974.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком