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界面问题的估算

已有 7850 次阅读 2019-11-26 15:17 |个人分类:专业科普|系统分类:科普集锦| 统计物理

    在《界面问题的统计力学》一文中,我们用统计力学推导出了界面形状,界面宽度,以及界面张力。本文中,我们则用估算法迅速得出上述物理量的近似值。我们将领略到物理研究中近似的艺术。


    由两相共存的物理要求,我们立即估计体系的不均匀性(沿垂直于界面的z-方向)应该由:ψ(z)=ψ0tanh(z/ζ)描述。为了定下该函数形状,需要两个参数,即决定振幅的ψ0和决定过渡宽度的ζ。


    分析统计力学模型:

           (1)

其中,局域自由能密度:

  (2)

这是一个朗道(Landau)连续相变理论所需要的双阱函数结构(double-well)。


(I)估算序参量ψ0

    平均场理论中,序参量由最小化(2)给出。(2)的两项分别是ψ的单调递减和递增函数,最小值处大约两项(绝对值)相等。因此:

    (3)


(II)估算界面宽度ζ

    考虑朗道自由能(1)。通过量纲估算如下:

                (4)

其中,|f0|是本问题的特征能垒高度,由(2)知道:|f0|≈(-τ)ψ02.


    (4)中的两项分别是特征长度L的单调递增和递减函数,界面宽度ζ由(4)对L的最小化得到。因此,大约有:

  (5)

我们发现,这里得到的界面宽度ζ正等于在朗道自由能模型里的涨落关联长度。


    场论中,界面问题(Domain Wall)对应于一个孤子(soliton)解,表现为一个 kink,是场论的一个非微扰解。孤子的尺寸对应于界面宽度ζ。另一方面,关联长度对应于微扰场论中传递相互作用的介子(meson)之尺寸。这里,我们已经看到孤子的尺寸等于介子的尺寸。


(III) 估算界面张力γ

    界面张力大约为最小化的F/A.因此有:

 (6)


    在场论中,该能量对应于孤子(soliton)的质量,其反比于相互作用耦合常数a4说明了孤子是场论的一个非微扰解。



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