זכוכית ספין

זכוכית ספין הוא מונח המתאר חומר בעל מבנה לא סדיר המראה רמה גבוהה של תסכול מגנטי (תסכול מגנטי הוא ביטוי המתייחס לחוסר היכולת של המערכת להישאר במצב אנרגיה נמוך יחיד הנקרא מצב היסוד). מקורה של התנהגות זו עשוי לנבוע מהמבנה הלא סדיר (כמו בזכוכית רגילה) או מגנטיות לא מסודרת הנמצאת בחומר בעל מבנה מסודר.

התלות בזמן היא הגורם המבדיל בין זכוכיות ספין לבין מערכות מגנטיות אחרות. אם מתחילים ניסוי בטמפרטורה הגבוהה מטמפרטורת המעבר של זכוכית הספין, טמפרטורת קירי, הזכוכית מראה התנהגות מגנטית טיפוסית (כגון פאראמגנטיות או צורות אחרות של מגנטיות). 

אם מופעל שדה מגנטי חיצוני והמגנטיזציה מתוארת בגרף כנגד הטמפרטורה, ההתנהגות של הזכוכית היא בהתאם לחוק קירי (שלפיו המגנטיזציה נמצאת ביחס הפוך לטמפרטורה) עד שמגיעים לטמפרטורת קירי. בנקודה זו המגנטיזציה הופכת לקבועה (ערך זה נקרא המגנטיזציה של שדה קר).

כאשר מבטלים את השדה החיצוני, מתרחשת ירידה מהירה במגנטיזציה של זכוכית הספין עד לערך שנקרא המגנטיזציה השיורית, ומנקודה זו מתרחשת דעיכה איטית ככל שהמגנטיזציה מתקרבת לאפס (או שבריר קטן מהערך המקורי – דבר זה עדיין לא ידוע).

דעיכה זו היא לא דעיכה מעריכית ואין פונקציה כלשהי המתאימה לעקומת המגנטיזציה כנגד הזמן בצורה ראויה. דעיכה איטית זו ייחודית לזכוכית ספין. מדידות ניסוייות בסדר גודל של מספר ימים הראו כי מתרחשים שינויים מתמשכים מעל לרמת רעש הרקע של המכשירים.

אולם, אם היה מתבצע תהליך דומה עבור חומר פרומגנטי, וכאשר השדה החיצוני היה מוסר, היה מתרחש שינוי מהיר עד לערך השיורי, כאשר ערך זה יישאר קבוע במשך הזמן. במקרה של חומר פאראמגנטי, כאשר השדה החיצוני מוסר, תתרחש ירידה מהירה עד שהמגנטיזציה תשתווה לאפס. בשני המקרים, השינוי הוא מהיר ביותר, ואם בודקים זאת בזהירות, רואים שיש דעיכה מעריכית עם קבוע זמן קטן מאוד.

אם במקום מה שתואר לעיל זכוכית ספין מקוררת אל מתחת לטמפרטורת קירי בהיעדר שדה חיצוני, וכאשר מפעילים את השדה, תתרחשת עלייה מהירה עד לערך הנקרא מגנטיזציה של שדה אפס מקורר. ערך זה קטן מערך המגנטיזיה של שדה מקורר, ובעקבותיו מגיעה עלייה איטית לעבר הערך של שדה מקורר.

באופן מפתיע, הסכום של שתי מערכות מורכבות של משוואות המתארות את הזמן (המגנטיזציה השיורית ושדה האפס המקורר) הוא קבוע. ערך זה נקרא השדה המקורר. באופן זה, שני הערכים חולקים צורה זהה של פונקציה עם הזמן, לכל הפחות בגבולות של שדות חיצוניים קטנים מאוד.

בנוסף לתכונות ניסוייות חריגות, זכוכיות ספין הן הנושא של חקירות תאורטיות וממוחשבות נרחבות. 

בחלק גדול מאוד מהעבודה המוקדמת על זכוכיות ספין נעשה שימוש בתאוריית השדה הממוצע שהתבססה על סדרת שכפולים של פונקציית החלוקה של המערכת. ד.שרינגטון וס.קירקפטריק הציגו מודל בעל פתרון מדויק של זכוכית ספין, והם הביאו להרחבות תאורטיות רבות של תאוריית השדה המרכזי על מנת לשקף את הדינאמיקות האיטיות של המגנטיזציה, ומצב שיווי המשקל המורכב הלא-ארגודי. 

הפורמליזציה של העתקת תאוריית השדה המרכזי יושמה גם במחקר של רשתות עצבים. היא אפשרה במסגרת המחקר לחשב תכונות מסוימות כגון תכולת המידע של ארכיטקטורה מסוימת של רשת עצבית פשוטה מבלי להזדקק לתכנון או שתילה של אלגוריתם אימון.

לקריאה נוספת
 K.H. Fischer and J.A. Hertz, Spin Glasses, Cambridge University Press (1991)

 J. A. Mydosh, Spin Glasses, Taylor & Francis (1995) 
 P. Nordblad, L. Lundgren and L. Sandlund, J. Mag. and Mag. Mater. 54, pp. 185 (1986)
 S. Boettcher, Emory University

Spin glass on arxiv.org

קטגוריה:מגנטיות
קטגוריה:פיזיקה של חומר מעובה
קטגוריה:פיזיקה סטטיסטית