本章目标
(1) 用序参量与对称性描述相变;(2) 建立朗道理论,统一处理连续相变与一级相变;(3) 把序参量推广为空间中的场(金兹堡–朗道理论),求出关联函数与关联长度,解释临界乳光;(4) 用金兹堡判据说明平均场理论何时失效,以及为什么"4 维"是特殊的;(5) 定义临界指数,介绍普适性,并由标度假设导出指数之间的关系。
§19.1序参量与对称性破缺
相变前后,系统的对称性往往发生变化。序参量是这样一个宏观量:在高温(对称)相中为零,在低温(有序)相中不为零。几个例子:
| 系统 | 相变 | 序参量 | 破缺的对称性 |
|---|
| 单轴铁磁体 | 居里点 | 磁化 m(1 个分量) | m→−m |
| 各向同性铁磁体 | 居里点 | 磁化矢量(3 个分量) | 三维转动 |
| 液–气 | 临界点 | 密度差 nl−ng | 近似的粒子–空穴对称 |
| 二元合金(β 黄铜) | 有序–无序 | 两套子晶格上占据数之差 | 两套子晶格的交换 |
| 二元液体混合物 | 混溶临界点 | 浓度差 | — |
| 液氦-4 | λ 相变 | 凝聚体波函数 ψ(复数,2 个分量) | 整体相位 |
| 超导体 | 超导转变 | 配对波函数(复数) | 整体相位(规范) |
| 向列型液晶 | 各向同性–向列 | 取向张量 | 三维转动 |
| 晶体 | 熔化与结晶 | 密度波的振幅 | 连续平移 |
序参量的分量数 n(伊辛型 n=1,XY 型 n=2,海森伯型 n=3)与破缺的对称性,将决定临界行为(§19.6)。在有序相中,哈密顿量的对称性被自发地破缺((18.4))。
§19.2朗道理论:连续相变
朗道(1937)的想法是:在相变点附近,序参量 m 很小,可以把"约束在给定 m 时的自由能"(如 (18.22) 中的 fCW)对 m 作泰勒展开;对称性 m→−m 禁止零场时出现奇次项。于是单位体积的自由能为
f(m,T)=f0(T)+a(T)m2+bm4−hm(19.1)
基本假设:f 是 m 与 T 的解析函数;b>0(保证 m 不会无限增大);a 在 Tc 处变号,取 a=a0(T−Tc),a0>0;在 Tc 附近把 b 看成常数。(由 §18.5,伊辛模型的平均场给出 a0=kB/2、b=kBTc/12,以每个自旋计。)平衡态使 f 极小:
∂m∂f=2am+4bm3−h=0(19.2)
序参量。h=0 时:T>Tc(a>0)只有 m=0;T<Tc(a<0)时 m=0 变成极大,极小在
m0=±2b−a=±2ba0(Tc−T)∝(Tc−T)1/2(19.3)
f(m) 由单阱变成双阱,系统"选择"其中一个阱:对称性破缺。
f(m)−f0最低的极小亚稳的极小 m (平衡)—
m (亚稳)—
图 19.1朗道自由能,取 b=1。连续相变 (19.1):a 由正变负时单阱变成双阱,m 从零连续长出;外场 h 使两个阱一高一低。一级相变 (19.7)(取 c=2,不加外场):a<89 时出现第二个极小,a=a∗=1 时两个极小一样深,m 从 0 跳到 m∗=1。
热容。T>Tc 时 f=f0;T<Tc 时代入 (19.3),f=f0−4ba2=f0−4ba02(T−Tc)2。熵 s=−∂f/∂T 在 Tc 处连续(没有潜热),热容 c=T∂s/∂T 有一个跃变:
Δc=2bTca02(19.4)
(代入伊辛平均场的 a0、b:Δc=TckBTc/6kB2/4=23kB,与 (18.20) 一致。)
磁化率。对 (19.2) 求导,(2a+12bm2)∂h∂m=1。T>Tc 时 m=0;T<Tc 时 m2=−a/2b,2a+12bm2=−4a:
χ=2a0(T−Tc)1(T>Tc),χ=4a0(Tc−T)1(T<Tc)(19.5)
临界等温线。T=Tc 时 a=0,h=4bm3:
m∝h1/3(19.6)
这与范德瓦尔斯气体(§17.6)、外斯分子场(§18.4)的结果完全相同。原因很清楚:三者都假定自由能是序参量的解析函数,并且都忽略了涨落——它们都是平均场理论。这一类临界行为称为"平均场普适类"。
§19.3一级相变
三次项。若对称性不禁止 m3 项(例如向列型液晶:取向张量 Q 与 −Q 描述的是物理上不同的状态;又如结晶),
f=am2−cm3+bm4(b>0, c>0)(19.7)
a 很大时只有 m=0 一个极小。a 减小到 9c2/(32b) 以下时(由 f′(m)=m(2a−3cm+4bm2)=0 的判别式),在 m>0 处出现第二个极小,起初是亚稳的。两个极小一样深时发生相变:要求 f=m2(a−cm+bm2) 在某个 m∗=0 处有重根,即二次式 bm2−cm+a 的判别式为零,c2=4ab:
a∗=4bc2,m∗=2bc(19.8)
相变发生在 a 变为零之前的 T∗=Tc+c2/(4a0b) 处,序参量从 0 跳跃到 m∗——这是一级相变。两相的熵之差为 Δs=−∂T∂am∗2=−a0m∗2(有序相的熵较低),所以潜热为
ℓ=T∗a0m∗2=4b2T∗a0c2(19.9)
在 T∗ 与 Tc(无序相失稳)之间,无序相是亚稳的(可以过冷);在 T∗ 与 a=9c2/(32b) 对应的温度之间,有序相是亚稳的(可以过热)。实际的转变需要通过成核(第31章)越过两个极小之间的自由能势垒,因此表现出滞后。
三相临界点。若对称性禁止奇次项,但 b<0,则必须保留 m6 项:f=am2+bm4+c6m6(c6>0)。此时相变是一级的;b 随某个参数(如压强、浓度)由负变正时,相变由一级变为连续,分界点称为三相临界点(例如 3He–4He 混合物的超流转变线上就有这样一个点)。
§19.4金兹堡–朗道理论:关联函数与关联长度
朗道理论把序参量看成处处相同。为了描述涨落与关联,把 m 推广为空间中缓慢变化的场 m(r)(在比晶格常数大、比关联长度小的区域上取平均),自由能写成泛函
F[m]=∫ddr[am2+bm4+g∣∇m∣2−h(r)m],g>0(19.10)
梯度项惩罚序参量的空间变化。它的来源可以从格点模型看出:−J∑⟨ij⟩mimj=2J∑⟨ij⟩(mi−mj)2+(只含 mi2 的项),而缓慢变化时 mj−mi≈(rj−ri)⋅∇m,于是第一项变成 g∣∇m∣2 的形式。
平衡条件。F 对 m(r) 的任意小变化 δm 取驻值。梯度项的变分 δ∫g∣∇m∣2=∫2g∇m⋅∇δm=−∫2g(∇2m)δm(分部积分,边界项为零),所以(提示 A12,欧拉–拉格朗日方程)
2am+4bm3−2g∇2m=h(r)(19.11)
对局域场的响应。T>Tc 时,在弱场中 m 很小,略去 m3:
(−∇2+ξ−2)m(r)=2gh(r),ξ2=ag(19.12)
在原点加一个点状的场 h(r)=h0δ3(r),三维中的解为
m(r)=2gh0⋅4πre−r/ξ(19.13)
验证:对只依赖于 r 的函数,∇2ϕ=r1dr2d2(rϕ);ϕ=e−r/ξ/r 时 rϕ=e−r/ξ,∇2ϕ=ϕ/ξ2,所以 r>0 处 (−∇2+ξ−2)ϕ=0;在 r→0 处 ϕ≈1/r,而 ∇24πr1=−δ3(r)(库仑定律:∇4πr1 穿过任一以原点为心的球面的通量为 −1)。
局域的扰动影响到距离约 ξ 的范围。ξ 就是关联长度:
ξ=a0(T−Tc)g∝(T−Tc)−1/2(19.14)
在 Tc 处发散。T<Tc 时在 m0 附近线性化,m2 的系数变为 a+6bm02=−2a,所以同样的 ∣T−Tc∣ 下 ξ 小 2 倍。
响应就是关联。把 (18.2) 推广到空间中的场:若 H 含有 −∫h(r)m(r)ddr,则对 h(r′) 求导得
δh(r′)δ⟨m(r)⟩=β⟨δm(r)δm(r′)⟩≡βG(r−r′)(19.15)
所以对点状场的响应 (19.13) 就是关联函数:G(r)=2gkBT4πre−r/ξ(奥恩斯坦–泽尼克形式,1914)。作傅里叶变换(提示 A14),(−∇2+ξ−2)→(k2+ξ−2):
G^(k)=2gkBT⋅k2+ξ−21(19.16)
总磁化率 χ=β∫Gddr=βG^(0)=1/(2a),与 (19.5) 一致。在 Tc 处 ξ=∞,G(r)∝1/r,G^∝1/k2:关联按幂律衰减,不再有特征长度。一般地,把 Tc 处的衰减写成 G∝r−(d−2+η),平均场给出 η=0。
临界乳光。对流体,m 对应于密度的偏离。光在波矢转移 k=2k0sin(θ/2)(k0 为光的波矢,θ 为散射角)处的散射强度正比于结构因子 S(k)∝G^(k)(§P3.5,第22章)。远离临界点时 ξ 只有约 1 nm,远小于光的波长,kξ≪1,散射各向同性、强度正比于压缩率 κT。接近临界点时,κT→∞ 使散射急剧增强,流体变得浑浊;ξ 增大到与波长相当时,散射集中到小角度。由 (19.16),1/I 对 k2 作图应是直线,斜率与截距之比就是 ξ2——这是测量关联长度的标准方法。实验测得 ξ∝∣T−Tc∣−ν,ν≈0.63,而不是平均场的 1/2。
§19.5金兹堡判据:平均场何时失效
平均场理论要求:序参量的涨落比序参量本身小得多。在一个关联体积 Vξ=ξd 内对 m 取平均,记为 mˉ。由 (19.15),⟨δmˉ2⟩=Vξ21∫Vξ∫VξG≈VξkBTχ(量级估计)。判据是
ξdkBTcχ≪m02(19.17)
三维。在 T<Tc 一侧,χ=4∣a∣1,m02=2b∣a∣,ξ2=2∣a∣g。代入 (19.17):2∣a∣2ξ3kBTcb≪1,而 ∣a∣2ξ3=∣a∣1/2g3/2/23/2,所以要求 ∣a∣≫2(kBTc)2b2/g3。写 ∣a∣=a0Tc∣t∣(t=(T−Tc)/Tc),并用两个可测量的量表示:高温一侧的关联长度 ξ=ξ0∣t∣−1/2 给出 ξ02=g/(a0Tc);热容跃变 (19.4) 给出 b=Tca02/(2Δc)。代入后 a0、Tc 全部消去:
∣t∣≫Gi,Gi=21(Δcξ03kB)2(19.18)
(Δc 为单位体积的热容跃变。)Gi 称为金兹堡数(金兹堡,1960):Δcξ03/kB 大致是一个"裸"关联体积内参与相变的自由度数。在 ∣t∣≲Gi 的临界区内,涨落占主导,平均场失效。
一般维数。χ∝∣a∣−1,m02∝∣a∣,ξ∝∣a∣−1/2,所以 (19.17) 的左右两边之比 ∝∣a∣−2ξ−d∝∣a∣(d−4)/2。d<4 时,越接近 Tc,这个比值越大,平均场必然失效;d>4 时,越接近 Tc 平均场越准确。所以
dc=4(19.19)
称为上临界维数:d>4 时平均场的临界指数是严格的。
例子:
- 简单流体与磁体:ξ0 只有几个埃,一个裸关联体积内只有约一个自由度,Gi∼10−2~1。临界区很宽,实验测得的是非平均场的指数。
- 常规超导体:电子配对的尺寸(相干长度)很大。以铝为例,ξ0≈1.6 μm,Tc=1.2 K,热容跃变约 230 J/(m3K),得 Gi∼10−16:临界区小到无法观测,所以超导体的平均场理论(BCS 理论、金兹堡–朗道理论)与实验符合得极好。铜氧化物高温超导体的 ξ0 只有 1~2 nm,临界涨落可以观测到。
- 高分子共混物:两种长链高分子混合时,"裸"关联长度约为链的尺寸 ∼bN,而一个链尺寸的体积内有大量别的链。德热纳(1977)指出 Gi∝1/N:长链共混物在相当宽的温区内服从平均场(弗洛里–哈金斯理论,第30章),只在非常靠近 Tc 处才转变为伊辛型的临界行为——中子小角散射实验证实了这种转变。
§19.6临界指数与普适性
令 t=(T−Tc)/Tc,临界指数定义为:
C∝∣t∣−α,m0∝(−t)β,χ∝∣t∣−γ,h∝∣m∣δ (t=0),ξ∝∣t∣−ν,G(r)∝r−(d−2+η) (t=0)(19.20)
(这里的 β 是指数,不要与 1/kBT 混淆。)
结果引用
下表中二维伊辛模型的指数来自昂萨格与杨振宁的严格解;三维的数值来自数值模拟、重整化群计算与共形自举方法(近似到所列的位数)。
| 指数 | 平均场 | 二维伊辛(严格) | 三维伊辛 | 三维 XY | 三维海森伯 |
|---|
| α | 0(跃变) | 0(对数) | 0.110 | −0.015 | −0.134 |
| β | 1/2 | 1/8 | 0.326 | 0.349 | 0.369 |
| γ | 1 | 7/4 | 1.237 | 1.318 | 1.396 |
| δ | 3 | 15 | 4.79 | 4.78 | 4.78 |
| ν | 1/2 | 1 | 0.630 | 0.672 | 0.711 |
| η | 0 | 1/4 | 0.036 | 0.038 | 0.038 |
实验:
- 液–气临界点(氙、二氧化碳、六氟化硫等)、二元液体混合物、单轴反铁磁体(如 FeF2)、二元合金:β≈0.32~0.33,γ≈1.24——都与三维伊辛模型一致。
- 液氦-4 的 λ 点:1992 年起在航天飞机上的微重力实验(为避免重力造成的压强梯度)测得 α=−0.0127±0.0003,与三维 XY 型基本一致(与理论值 −0.0151 之间仍有一个著名的小偏差,原因尚无定论)。热容并不真正发散,只是在 Tλ 处有一个极尖的峰,在很宽的温区内看起来近似对数发散(§14.4)。
- 各向同性的铁磁体(如镍、EuO):β≈0.37,与海森伯型一致。
普适性。临界指数只依赖于少数几个因素:(i) 空间维数 d;(ii) 序参量的分量数 n(即破缺的对称性);(iii) 相互作用是否为短程。它与晶格结构、相互作用的细节、Tc 的数值都无关。于是液–气临界点(没有晶格,也没有严格的 m→−m 对称性)与单轴磁体属于同一个普适类。为什么会这样,是第20章的主题。
§19.7标度假设与指数关系
维多姆标度假设(1965)。在临界点附近,自由能密度的奇异部分是一个"广义齐次函数":
fs(t,h)=∣t∣2−αΦ±(∣t∣Δh)(19.21)
Φ+、Φ− 分别用于 t>0 与 t<0,Δ 称为能隙指数。由它可以推出指数之间的关系:
- 热容 C∝−∂2fs/∂t2∝∣t∣−α,这正是写成 2−α 的原因。
- 磁化 m=−∂fs/∂h=−∣t∣2−α−ΔΦ′(x)(x=h/∣t∣Δ),零场时 m∝∣t∣2−α−Δ,所以 β=2−α−Δ。
- 磁化率 χ=∂m/∂h=−∣t∣2−α−2ΔΦ′′(x),所以 γ=2Δ−2+α。
- 消去 Δ(两式相加得 Δ=β+γ):
α+2β+γ=2(19.22)
(拉什布鲁克关系。)
- 在 t→0、h=0 时,m 必须有限,且只依赖于 h。这要求 x→∞ 时 Φ′(x)∝xβ/Δ,使 ∣t∣ 消去:m∝∣t∣β(h/∣t∣Δ)β/Δ=hβ/Δ,所以 δ=Δ/β=(β+γ)/β,即
γ=β(δ−1)(19.23)
(维多姆关系。)
- 超标度:如果关联长度 ξ 是临界点附近唯一重要的长度,那么每个关联体积 ξd 内的自由能约为 kBT,即 fs∝ξ−d∝∣t∣dν。与 (19.21) 比较:
2−α=dν(19.24)
(约瑟夫森关系。)平均场 α=0、ν=1/2 只在 d=4 时满足它——这与上临界维数 (19.19) 一致:d>4 时超标度失效,平均场成立。
- 费希尔关系:χ=β∫Gddr,而 G(r)=r−(d−2+η)G(r/ξ),所以 χ∝∫0∞rd−1r−(d−2+η)G(r/ξ)dr∝ξ2−η,即
γ=ν(2−η)(19.25)
检验:平均场 0+1+1=2,21(3−1)=1,21(2−0)=1;二维伊辛 0+41+47=2,81(15−1)=47,2−0=2×1,1×(2−41)=47;三维伊辛 0.110+0.652+1.237≈2,2−0.110=3×0.630。所以六个指数中只有两个是独立的(例如 ν 与 η)。
数据塌缩。(19.21) 预言:把不同温度下的 m(h) 数据画成 m/∣t∣β 对 h/∣t∣β+γ,所有数据应落在两条曲线上(分别对应 T>Tc 与 T<Tc)。对磁体与流体的实验都证实了这一点。
§19.8本章小结
- 朗道理论把自由能写成序参量的解析展开:二次项系数变号给出连续相变(β=1/2、γ=1、δ=3、热容跃变),三次项给出一级相变与亚稳态。
- 金兹堡–朗道理论给出奥恩斯坦–泽尼克关联函数与发散的关联长度 ξ∝∣t∣−1/2;响应函数等于关联函数的积分。
- 金兹堡判据:d<4 时平均场在临界点附近必然失效,临界区宽度由金兹堡数 Gi 决定;超导体与长链高分子共混物的 Gi 极小,所以平均场很好。
- 临界指数具有普适性;标度假设导出 α+2β+γ=2 等关系,只有两个指数是独立的。
自测题
- 对 (19.7),证明 a<9c2/(32b) 时出现第二个极小,并求一级相变时的 m∗ 与 a∗。
- 证明在 d 维中,∇2 的格林函数 ∝r2−d(d>2),从而平均场给出 η=0。[提示:通过半径为 r 的球面的通量与 r 无关]
- 已知三维伊辛模型 ν=0.630、η=0.036,用标度关系求 α、β、γ、δ。[提示:β=ν(d−2+η)/2,δ=(d+2−η)/(d−2+η);答:0.110、0.326、1.237、4.79]
- 用 (19.18) 估计铝的金兹堡数:ξ0=1.6 μm,Δc≈230 J/(m3K)。[答:约 10−16]
这一篇已记为读完。