Кіріспе

Конденсацияланған материя физикасында геометриялық күйзеліс (немесе қысқаша: күйзеліс) термині атомдардың тривиальды емес позицияларға бейімделуін немесе реттелген кристалл тордағы қарама-қарсы атомдық күштердің (әрқайсысы қарапайым, бірақ әртүрлі құрылымдарды қалайтынын) күрделі құрылымдарға алып келетін құбылысты білдіреді. Геометриядағы немесе күштердегі күйзелістің салдарынан нөлдік температурада көптеген әртүрлі негізгі күйлер пайда болуы мүмкін, ал жоғары температурадағы әдеттегі жылулық реттелу тежелуі мүмкін. Көп зерттелген мысалдар – аморфты материалдар, шынылар немесе сиретілген магниттер. Магниттік жүйелер контекстіндегі күйзеліс терминін 1977 жылы Жерар Тулуз енгізді. Магниттік жүйелердің күйзелуі одан бұрын да зерттелген. Алғашқы жұмыстардың бірі – Г.Х. Ванньедің 1950 жылы жариялаған, ең жақын көрші спиндері антиферромагниттік байланысқан үшбұрышты тордағы Исинг моделін зерттеуі. Ұқсас ерекшеліктер бәсекелес өзара әрекеттесуі бар магниттерде кездеседі, онда спиндер немесе магниттік моменттер жұптары арасында ферромагниттік де, антиферромагниттік те байланыстар болады, ал өзара әрекеттесу түрі спиндердің арақашықтығына байланысты. Мұндай жағдайда, А. Йошимори, Т.А. Каплан, Р.Дж. Эллиотт және басқалар 1959 жылдан бастап сирек кездесетін металдар бойынша тәжірибелік нәтижелерді сипаттағандай, спиральді спиндік құрылымдар сияқты өлшемділік пайда болуы мүмкін. Мұндай күйзеліс немесе бәсекелес өзара әрекеттесуі бар спин жүйелеріне қызығушылық екі онжылдықтан кейін, 1970 жылдары спиндік шынылар мен кеңістікте модуляцияланған магниттік суперструктуралар контекстінде қайта жанданды. Спиндік шыныларда күйзеліс өзара әрекеттесудегі стохастикалық бұзылыстармен күшейтіледі, бұл стехиометриялық емес магниттік қорытпаларда эксперименттік түрде кездесуі мүмкін. Күйзеліспен талданған спин модельдерінің ішінде спиндік шыныларды сипаттайтын Шеррингтон-Киркпатрик моделі және өлшемді магниттік суперструктураларды сипаттайтын ANNNI моделі бар. Соңғы уақыттарда күйзеліс тұжырымы ми желілерін талдауда нейрондық байланыстардың тривиальды емес жиынтығын анықтау және мидың реттелетін элементтерін көрсету үшін қолданылды.

Магниттік реттеу

Геометриялық бұзылу – магниттік құбылыстың маңызды ерекшелігі, ол спиндердің өзара орналасуынан туындайды. 1-суретте қарапайым 2D мысалы көрсетілген. Үш магниттік ион үшбұрыштың төбелерінде орналасқан, олардың арасында антиферромагниттік өзара әрекеттесу бар; энергия ең төменгі деңгейге жетеді, егер әр спин көрші спиндеріне қарама-қарсы бағытталған болса. Бірінші екі спин антипараллель бағытта орналасқаннан кейін, үшінші спин бұзылуға ұшырайды, себебі оның екі мүмкін бағыты – жоғары және төмен – бірдей энергияны береді. Үшінші спин екі көрші спиннің әсерін бір мезгілде азайта алмайды. Бұл әсер әр спин үшін орын алғандықтан, негізгі күй алты есе дегенерацияланған. Тек барлық спиндер жоғары немесе төмен бағытталған екі күйде ғана энергия жоғарылайды. Ұқсас түрде, үш өлшемде төрт спин тетраэдр түрінде орналасса (2-сурет), геометриялық бұзылу пайда болуы мүмкін. Егер спиндер арасында антиферромагниттік өзара әрекеттесу болса, онда спиндерді мұндай етіп орналастыру мүмкін емес, әрі спиндер арасындағы барлық өзара әрекеттесулер антипараллель болып табылады. Алты жақын спин арасындағы өзара әрекеттесулердің төртеуі антипараллельді, демек, қолайлы, бірақ екеуі (1 мен 2, және 3 мен 4 спиндері арасында) қолайсыз. Барлық өзара әрекеттесулердің қолайлы болуы мүмкін емес, сондықтан жүйе бұзылуға ұшырайды. Геометриялық бұзылу спиндер коллинеарлық емес түрде орналасқан жағдайда да мүмкін. Егер тетраэдрдің әр төбесінде спин орналасқан және олар оңай оспен (яғни, тетраэдрдің орталығына немесе одан алыс бағытталған) бағытталған болса, онда төрт спинді таза спинсіз етіп орналастыруға болады (3-сурет). Бұл әр спин жұбы арасындағы антиферромагниттік өзара әрекеттесуге тең, сондықтан мұндай жағдайда геометриялық бұзылу болмайды. Бұл осьтер бойынша, егер көрші спиндер арасында ферромагниттік өзара әрекеттесу болса, геометриялық бұзылу пайда болады, онда энергия параллель спиндермен ең төменгі деңгейге жетеді. Ең жақсы орналасу 4-суретте көрсетілген, онда екі спин орталыққа қарай, ал екі спин орталықтан алыс бағытталған. Таза магниттік момент жоғары қарай бағытталған, бұл бағытта ферромагниттік өзара әрекеттесуді максималды деңгейге жеткізеді, бірақ сол және оң векторлар бір-бірін жояды (яғни, антиферромагниттік бағытталады), сондай-ақ алға және артқа бағытталған векторлар да. Екі спин ішке және екі спин сыртқа бағытталған үш түрлі эквивалентті орналасу бар, сондықтан негізгі күй үш есе дегенерацияланған.

Су мұз

Бұрынғы және қазіргі зерттеулердің көпшілігі спин жүйелеріне бағытталған, бірақ бұл құбылыс алғаш рет қарапайым мұзда зерттелді. 1936 жылы Гиук және Стоу «Судың энтропиясы және термодинамиканың үшінші заңы» деген еңбегін жариялады. Онда 15 К-ден 273 К-қа дейінгі мұздың жылу сыйымдылығы, судың тоңу және булану кезеңдерінен бастап жоғары температуралы газ фазасына дейінгі калориметрлік өлшеулер туралы мәліметтер келтірілген. Энтропия жылу сыйымдылығын интегралдау және жасырын жылудың үлесін қосу арқылы есептелді; төмен температурадағы өлшемдер Дебье формуласын қолданып нөлге экстраполяцияланды. Нәтижесінде алынған энтропия, S1 = 44,28 кал/(К·моль) = 185,3 Дж/(моль·К), идеал газдың статистикалық механикасынан алынған теориялық нәтижемен, S2 = 45,10 кал/(К·моль) = 188,7 Дж/(моль·К) салыстырылды. Екі мәннің айырмашылығы S0 = 0,82 ± 0,05 кал/(К·моль) = 3,4 Дж/(моль·К) құрады. Бұл нәтижені Линус Паулинг шамамен дәл түсіндірді, ол мұздың нөлдік температурада протондарға тән конфигурациялық тәртіпсіздікке байланысты шекті энтропияға ие екенін көрсетті (шамамен 0,81 кал/(К·моль) немесе 3,4 Дж/(моль·К)). Алтыбұрышты немесе кубикалық мұз фазасында оттегі иондары OO байланысының ұзындығы 2,76 Å (276 пм) болатын тетраэдрлік құрылымды құрайды, ал OH байланысының ұзындығы 0,96 Å (96 пм) ғана. Әрбір оттегі (ақ) ионы төрт сутегі ионымен (қара) қоршалған, ал әрбір сутегі ионы 2 оттегі ионымен қоршалған, 5-суретте көрсетілгендей. Ішкі H2O молекуласының құрылымын сақтай отырып, протонның ең төменгі энергиялық орны екі іргелес оттегі ионының арасындағы ортасы емес. OO байланысының бойында сутегінің екі эквивалентті орны бар: алыс және жақын. Осылайша, ереже протонның негізгі күй конфигурациясы үшін орналасуының күйзелісіне әкеледі: әрбір оттегі үшін көршілес протондардың екеуі алыс, ал екеуі жақын орналасуы керек, осылайша «мұз ережесі» деп аталады. Паулинг мұздың ашық тетраэдрлік құрылымы мұз ережесін қанағаттандыратын көптеген эквивалентті күйлерді ұсынады деп болжады. Паулинг конфигурациялық энтропияны келесідей есептеді: N O2− және 2N протоны бар бір моль мұзды қарастырайық. Әрбір OO байланысында протонның екі орны болады, нәтижесінде 22N мүмкін конфигурация пайда болады. Алайда, әр оттегімен байланысты 16 мүмкін конфигурацияның тек 6-сы ғана H2O молекуласының шектеуін сақтай отырып, энергетикалық тұрғыдан қолайлы. Одан кейін негізгі күйдегі мүмкін болатын күйлердің саны Ω < 22N N деп бағаланады. Сәйкесінше, конфигурациялық энтропия S0 = kB ln(Ω) = NkB ln = 0,81 кал/(К·моль) = 3,4 Дж/(моль·К) Гиук және Стоу өлшеген жоқ энтропиямен керемет сәйкес келеді. Паулингтің есептеуінде протондар санының жалпы шектеулері де, Вурцит торларындағы жабық циклдардан туындайтын жергілікті шектеулер де ескерілмеген, бірақ кейіннен бұл бағалаудың өте дәл екені көрсетілді.

Спин мұз

Су мұздарындағы дегенерацияға математикалық тұрғыдан ұқсас жағдай спин мұздарында табылады. 6-суретте төрт бұрышының әрқайсысында бір магниттік атом немесе ион орналасқан кубикалық пирохлор құрылымындағы әдеттегі спин мұз құрылымы көрсетілген. Материалдағы күшті кристалдық өріс салдарынан, әрбір магниттік ион үлкен моменті бар Изинг негізгі күйінің дублетімен бейнеленеді. Бұл төртбұрышты торды бөлісетін бұрыштарда орналасқан Изинг спиндерінің суретін ұсынады, спиндер жергілікті квантталу осі бойымен бекітілген, <111> кубтық өсімен, ол әрбір төртбұрышты төбесін орталыққа жалғайтын сызықтармен сәйкес келеді. Энергияны ең төмендету үшін әрбір тетраэдрлік жасушада екі спин ішке, екі спин сыртқа бағытталуы керек. Қазіргі уақытта спин мұз моделі нақты материалдармен, ең әйгілісі сирек кездесетін пирохлорлар Ho2Ti2O7, Dy2Ti2O7 және Ho2Sn2O7 арқылы жуықтап жүзеге асырылды. Бұл материалдардың барлығы төмен температурада нөлдік емес қалдық энтропияны көрсетеді.

Паулингтің моделін кеңейту: Жалпы ұнжырғасыздық

Спин мұз моделі – қанағаттандырылмаған жүйелердің тек бір тармағы. "Қиындық" деген сөз бастапқыда жүйенің құрамдас бөліктері арасындағы бәсекелес өзара әрекеттесу энергиясын бір мезгілде ең төменге түсіре алмауы үшін қолданылды. Жалпы алғанда, қиындыққа себеп – бәсекелес өзара әрекеттесулер (Вилла модельін де қараңыз), олар сайттың ретсіздігінен туындайды, немесе үшбұрышты, бетке орталықтанған кубтық (fcc), алтыбұрышты, тетраэдрлі, пирохлорлы және кагома торлары сияқты антиферромагниттік өзара әрекеттесулерге ие тор құрылымы болуы мүмкін. Осылайша, қиындық екі санатқа бөлінеді: біріншісі – спин шынысы, оның құрылымы да, спині де ретсіз; екіншісі – геометриялық қиындық, реттелген тор құрылымы және спиннің қиындығы. Спин шынысының қиындығы RKKY моделі шеңберінде түсіндіріледі, онда өзара әрекеттесу қасиеттері – ферромагниттік немесе антиферромагниттік – екі магниттік ион арасындағы қашықтыққа байланысты. Спин шынысындағы тордың ретсіздігіне байланысты, қарастырылып отырған спин мен оның ең жақын көршілері әртүрлі қашықтықта орналасып, әртүрлі өзара әрекеттесу қасиеттеріне ие болуы мүмкін, бұл спиннің әртүрлі бағытта орналасуына әкеледі.

Геометриялық жағынан бұзылған жасанды темір магниттер

Литографиялық техниканың көмегімен микрометрден кіші магниттік аралдар жасау мүмкін, олардың геометриялық орналасуы табиғи спин мұзы материалдарында кездесетін ренжіліске ұқсайды. Жақында R. F. Wang және әріптестері литографиялық тәсілмен жасалған бір доменді ферромагниттік аралдардан құралған жасанды геометриялық ренжілген магниттің табылуын хабарлады. Бұл аралдар екі өлшемді спин мұзының аналогын жасау үшін қолмен орналастырылды. Реттелген ‘спин’ аралдарының магниттік моменттері магниттік күш микроскопиясы (МКМ) арқылы бейнеленді, содан кейін ренжілістің жергілікті сипаттамасы жан-жақты зерттелді. Бұрынғы жұмыстарында, олар ренжілген магниттердің квадраттық торында мұз сияқты қысқа аралық корреляцияларды және ұзақ аралық корреляциялардың болмауын байқады, дәл спин мұзының төмен температурасындағы сияқты. Бұл нәтижелер ренжілістің нақты физикасын көруге және осы жасанды геометриялық ренжілген магниттер арқылы модельдеуге мүмкіндік беретін, зерттелмеген саланың негізін нығайтады, сондай-ақ қосымша зерттеулерге түрткіс береді. Бұл жасанды ренжілген ферромагниттер сыртқы өріске жауабын зерттегенде Магнето-оптикалық Керр эффектісін қолдану арқылы бірегей магниттік қасиеттерді көрсете алады. Атап айтқанда, квадраттық тордың коэрцитивтілігінің бұрышқа тәуелділігінің монотонды емес сипаты жасанды спин мұзы жүйесіндегі тәртіпсіздікпен байланысты екені анықталды.

Геометриялық тозу без решетка

Геометриялық ұнжырғаның тағы бір түрі жергілікті тәртіптің таралуынан туындайды. Конденсацияланған материя физигінің басты сұрағы – қатты дененің тұрақтылығын түсіндіру болып табылады. Кейде химиялық сипаттағы жергілікті ережелерді белгілеу мүмкін, олар төмен энергиялы конфигурацияларға алып келеді және осылайша құрылымдық және химиялық тәртіпті анықтайды. Бірақ мұндай жағдай жиі кездеспейді және көбінесе жергілікті өзара әрекеттесулермен анықталатын жергілікті тәртіп еркін тарамайды, нәтижесінде геометриялық ұнжырға пайда болады. Мұндай жүйелердің барлығының ортақ ерекшелігі – қарапайым жергілікті ережелерге қарамастан, олар көптеген, көбінесе күрделі құрылымдық жағдайларды ұсынады. Геометриялық ұнжырға конденсацияланған материя саласында, кластерлер мен аморфты қатты денелерден бастап күрделі сұйықтықтарға дейін маңызды рөл атқарады. Бұл қиындықтарды шешудің жалпы әдісі екі қадамнан тұрады. Біріншіден, кеңістікті толық толтыру шектеуі кеңістіктің қисықтығына мүмкіндік беру арқылы жеңілдетіледі. Бұл қисық кеңістікте идеалдық, ұнжырғаға ұшырамаған құрылым анықталады. Содан кейін, осы идеалдық үлгіні үш өлшемді Евклид кеңістігіне ендіру үшін нақты бұрмалаулар қолданылады. Соңғы құрылым – жергілікті тәртібі үлгідегідей реттелген аймақтар мен ендіруден туындаған кемшіліктердің қосындысы болып табылады. Мүмкін болатын кемшіліктердің ішінде дисклиниялар маңызды рөл атқарады.

Қарапайым екі өлшемді мысалдар

Жергілікті ережелер мен геометрия арасындағы бәсекелестік туралы түсінік алу үшін екі өлшемді мысалдар көмектеседі. Бірінші кезекте, жазықтықта бір-бірімен сәйкес келетін дискілердің (гипотетикалық екі өлшемді металдың моделі) орналасуын қарастырайық; дискілер арасындағы өзара әрекеттесу изотропты және жергілікті түрде дискілерді мүмкіндігінше тығыз орналасуға итермелейді. Үш дискі үшін ең жақсы орналасу – үшбұрыш төбелерінде орталары орналасқан теңқабыршалы үшбұрыш болып табылады. Сондықтан, ұзақ қашықтықтағы құрылымды зерттеуді тең қабыршалы үшбұрыштармен жазықтықты мозаикалауға дейін тоғытуға болады. Белгілі бір шешімді жергілікті және жаһандық ережелердің толық үйлесімділігін қамтамасыз ететін үшбұрышты мозаика ұсынады: мұндай жүйе "жағымсыздықтан бос" деп аталады. Бірақ енді, өзара әрекеттесу энергиясы атомдар дұрыс бесбұрыштың төбелерінде орналасқанда ең төменгі мәнге ие болуы керек. Бұл бесбұрыштардың жиектерін (атомдық байланыстар) және төбелерін (атомдар) бөлісе отырып, ұзақ қашықтыққа таратуға тырысу мүмкін емес. Бұл жазықтықты дұрыс бесбұрыштармен мозаикалаудың мүмкін болмауына байланысты, себебі бесбұрыштың төбе бұрышы 2-ге бөлінбейді. Үш бесбұрыш ортақ төбеде оңай орналаса алады, бірақ екі жиек арасында кеңістік қалады. Осы сияқты қарама-қайшылық "геометриялық фрустрация" деп аталады. Бұл қиындықты жеңудің бір жолы бар. Мозаикаланатын бетке кез келген алдын ала болжамдалған топологияны жүктемеуге және мозаиканы жергілікті өзара әрекеттесу ережесін қатаң сақтап жасауға рұқсат етіңіз. Бұл қарапайым мысалда, бет сфераның топологиясын мұраға алатынын және осылайша қисықтыққа ие болатынын көреміз. Соңғы құрылым, яғни бесбұрышты он екі қырлы, бесбұрышты тәртіптің толық таралуына мүмкіндік береді. Бұл қарастырылып отырған құрылымның "идеалдық" (кемшіліксіз) моделі деп аталады.

Тығыз құрылымдар және тетраэдрлік орамалар

Металдардың тұрақтылығы – қатты дене физикасының көптен бері шешілмей келе жатқан мәселесі, оны тек кванттық механика шеңберінде, оң зарядталған иондар мен валенттік және өткізгіш электрондар арасындағы өзара әрекеттесуді ескере отырып толық түсінуге болады. Дегенмен, металл байланысының өте қарапайым моделін қолдануға және тек изотроптық сипаттағы өзара әрекеттесуді сақтап қалуға болады, бұл тығыз жиналған шарлар түрінде бейнеленетін құрылымдарға алып келеді. Шындығында, кристаллдық қарапайым металдардың құрылымдары көбінесе тығыз жиналған бетке орталықталған кубтық (fcc) немесе гексагональды тығыз жиналған (hcp) торлар болып табылады. Белгілі бір деңгейде аморфты металдар мен квазикристалдар да шарлардың тығыз жиналуы арқылы модельделуі мүмкін. Жергілікті атомдық рет тетраэдрлердің тығыз жиналуымен жақсы сипатталады, бұл бұрыс икосаэдрлік ретке әкеледі. Дұрыс тетраэдр – төрт бірдей шарды жинау үшін ең тығыз конфигурация. Сондықтан, қатты шарлардың кездейсоқ тығыз жиналуы мәселесі тетраэдрлік жиналу мәселесіне келтірілуі мүмкін. Үстел теннисі доптарын тек тетраэдрлік конфигурацияларды құру үшін жинауға тырысу – практикалық жаттығу. Біріншіден, төрт допты дұрыс тетраэдр түрінде орналастырып, жаңа шарларды қосып, жаңа тетраэдрлер құруға тырысамыз. Келесі шешім, бес доптан тұрады, ол жалпы беті бар екі тетраэдрден тұрады; аталған шешімде жеке тетраэдрлік қуыстарды қамтитын fcc құрылымы мұндай конфигурацияны көрсетпейді (тетраэдрлер беттер емес, жиектерді бөліседі). Алты доптан үш дұрыс тетраэдр құрастырылады, ал кластер барлық тығыз кристаллдық құрылымдармен (fcc және hcp) үйлеспейді. Жетінші допты қосу екі «осьтік» доптан тұратын жаңа кластерді құрайды, олар бір-біріне жанасады, ал тағы бесеуі соңғы екі допқа жанасады, сыртқы пішіні – дерлік дұрыс бесбұрышты бипирамида. Бірақ қазір біз екі өлшемдегі бесбұрышты мозаикамен ұқсас нақты жинақтау мәселесіне тап болдық. Тетраэдрдің диэдрлік бұрышы 2-ге тең емес, сондықтан көршілес тетраэдрлердің екі беті арасында қуыс қалады. Осының салдарынан, Евклид кеңістігі R3-ті дұрыс тетраэдрлермен толық жабу мүмкін емес. Бұл ұнжырғаланудың топологиялық сипаты бар: егер тетраэдрлердің тұрақты саны (осы жерде бес) ортақ жиекті бөліседі деп есептесек, тіпті қатты бұрмаланған болса да, тетраэдрлермен Евклид кеңістігін толтыру мүмкін емес. Келесі қадам өте маңызды: кеңістіктегі қисықтықты ескере отырып, жергілікті конфигурациялардың бүкіл кеңістікте бірдей және ақаусыз таралуын қамтамасыз ету үшін ақаусыз құрылымды іздеу.

Тетраэдрдің тұрақты жинағы: политоп {3,3,5}

Жиырма ретсіз тетраэдр ортақ төбесі бар, ал он екі сыртқы төбесі тұрақты икосаэдр құрайды. Шындығында, икосаэдрдің қабырғасының ұзындығы l, ортақ шеңбер радиусынан сәл ұзын (l ≈ 1.05r). Егер кеңістік Евклидтік емес, шар тәрізді болса, онда тұрақты тетраэдрлермен шешім бар. Бұл, Шлефли белгілеуін пайдалана отырып, политоп {3,3,5}, сондай-ақ 600 жасуша деп те аталады. Барлық қабырғалары бірлік ұзындығында болса, онда жүз жиырма төбесі алтын қатынасқа (φ = ) тең радиусы бар S3 гиперсферасына жатады. Алты жүз жасуша – бұл ортақ қабырғаның бойында бесеуден, ал ортақ төбесінің бойында жиырмадан тұратын тұрақты тетраэдрлер. Бұл құрылым политоп деп аталады (Коксетерге қараңыз), ол көпбұрыштар мен полиэдрлер тізбегіндегі жоғары өлшемдегі жалпы атау. Бұл құрылым төртінші өлшемге енгенімен, үш өлшемді (қисық) көпжақ ретінде қарастырылады. Бұл тұжырымдық тұрғыдан келесі себеппен маңызды. Қисық кеңістікте ұсынылған идеалды модельдер – үш өлшемді қисық үлгілер. Олар жергілікті түрде үш өлшемді Евклидтік модельдерге ұқсайды. Сондықтан, тетраэдрлермен мозаикаланған {3,3,5} политопы, егер атомдар оның төбелерінде орналасса, өте тығыз атомдық құрылымды қамтамасыз етеді. Осы себепті ол аморфты металдардың үлгісі ретінде қолданылады, бірақ оның құны бірнеше рет идеалдау екенін ұмытпау керек.