Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
In condensed matter physics, the term geometrical frustration (or in short: frustration) refers to a phenomenon where atoms tend to stick to non trivial positions or where, on a regular crystal lattice, conflicting inter atomic forces (each one favoring rather simple, but different structures) lead to quite complex structures. As a consequence of the frustration in the geometry or in the forces, a plenitude of distinct ground states may result at zero temperature, and usual thermal ordering may be suppressed at higher temperatures. Much studied examples are amorphous materials, glasses, or dilute magnets. The term frustration, in the context of magnetic systems, has been introduced by Gerard Toulouse in 1977. Frustrated magnetic systems had been studied even before. Early work includes a study of the Ising model on a triangular lattice with nearest neighbor spins coupled antiferromagnetically, by G. H. Wannier, published in 1950. Related features occur in magnets with competing interactions, where both ferromagnetic as well as antiferromagnetic couplings between pairs of spins or magnetic moments are present, with the type of interaction depending on the separation distance of the spins. In that case commensurability, such as helical spin arrangements may result, as had been discussed originally, especially, by A. Yoshimori, T. A. Kaplan, R. J. Elliott, and others, starting in 1959, to describe experimental findings on rare earth metals. A renewed interest in such spin systems with frustrated or competing interactions arose about two decades later, beginning in the 1970s, in the context of spin glasses and spatially modulated magnetic superstructures. In spin glasses, frustration is augmented by stochastic disorder in the interactions, as may occur experimentally in non stoichiometric magnetic alloys. Carefully analyzed spin models with frustration include the Sherrington–Kirkpatrick model, describing spin glasses, and the ANNNI model, describing commensurability magnetic superstructures. Recently, the concept of frustration has been used in brain network analysis to identify the non trivial assemblage of neural connections and highlight the adjustable elements of the brain.
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.
Geometrical frustration is an important feature in magnetism, where it stems from the relative arrangement of spins. A simple 2D example is shown in Figure 1. Three magnetic ions reside on the corners of a triangle with antiferromagnetic interactions between them; the energy is minimized when each spin is aligned opposite to neighbors. Once the first two spins align antiparallel, the third one is frustrated because its two possible orientations, up and down, give the same energy. The third spin cannot simultaneously minimize its interactions with both of the other two. Since this effect occurs for each spin, the ground state is sixfold degenerate. Only the two states where all spins are up or down have more energy. Similarly in three dimensions, four spins arranged in a tetrahedron (Figure 2) may experience geometric frustration. If there is an antiferromagnetic interaction between spins, then it is not possible to arrange the spins so that all interactions between spins are antiparallel. There are six nearest neighbor interactions, four of which are antiparallel and thus favourable, but two of which (between 1 and 2, and between 3 and 4) are unfavourable. It is impossible to have all interactions favourable, and the system is frustrated. Geometrical frustration is also possible if the spins are arranged in a non collinear way. If we consider a tetrahedron with a spin on each vertex pointing along the easy axis (that is, directly towards or away from the centre of the tetrahedron), then it is possible to arrange the four spins so that there is no net spin (Figure 3). This is exactly equivalent to having an antiferromagnetic interaction between each pair of spins, so in this case there is no geometrical frustration. With these axes, geometric frustration arises if there is a ferromagnetic interaction between neighbours, where energy is minimized by parallel spins. The best possible arrangement is shown in Figure 4, with two spins pointing towards the centre and two pointing away. The net magnetic moment points upwards, maximising ferromagnetic interactions in this direction, but left and right vectors cancel out (i. e. are antiferromagnetically aligned), as do forwards and backwards. There are three different equivalent arrangements with two spins out and two in, so the ground state is three fold degenerate.
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.
Although most previous and current research on frustration focuses on spin systems, the phenomenon was first studied in ordinary ice. In 1936 Giauque and Stout published The Entropy of Water and the Third Law of Thermodynamics. Heat Capacity of Ice from 15 K to 273 K, reporting calorimeter measurements on water through the freezing and vaporization transitions up to the high temperature gas phase. The entropy was calculated by integrating the heat capacity and adding the latent heat contributions; the low temperature measurements were extrapolated to zero, using Debye's then recently derived formula. The resulting entropy, S1 = 44.28 cal/(K·mol) = 185.3 J/(mol·K) was compared to the theoretical result from statistical mechanics of an ideal gas, S2 = 45.10 cal/(K·mol) = 188.7 J/(mol·K). The two values differ by S0 = 0.82 ± 0.05 cal/(K·mol) = 3.4 J/(mol·K). This result was then explained by Linus Pauling to an excellent approximation, who showed that ice possesses a finite entropy (estimated as 0.81 cal/(K·mol) or 3.4 J/(mol·K)) at zero temperature due to the configurational disorder intrinsic to the protons in ice. In the hexagonal or cubic ice phase the oxygen ions form a tetrahedral structure with an O–O bond length 2.76 Å (276 pm), while the O–H bond length measures only 0.96 Å (96 pm). Every oxygen (white) ion is surrounded by four hydrogen ions (black) and each hydrogen ion is surrounded by 2 oxygen ions, as shown in Figure 5. Maintaining the internal H2O molecule structure, the minimum energy position of a proton is not half way between two adjacent oxygen ions. There are two equivalent positions a hydrogen may occupy on the line of the O–O bond, a far and a near position. Thus a rule leads to the frustration of positions of the proton for a ground state configuration: for each oxygen two of the neighboring protons must reside in the far position and two of them in the near position, so called ‘ice rules’. Pauling proposed that the open tetrahedral structure of ice affords many equivalent states satisfying the ice rules. Pauling went on to compute the configurational entropy in the following way: consider one mole of ice, consisting of N O2− and 2N protons. Each O–O bond has two positions for a proton, leading to 22N possible configurations. However, among the 16 possible configurations associated with each oxygen, only 6 are energetically favorable, maintaining the H2O molecule constraint. Then an upper bound of the numbers that the ground state can take is estimated as Ω < 22N N. Correspondingly the configurational entropy S0 = kBln(Ω) = NkBln = 0.81 cal/(K·mol) = 3.4 J/(mol·K) is in amazing agreement with the missing entropy measured by Giauque and Stout. Although Pauling's calculation neglected both the global constraint on the number of protons and the local constraint arising from closed loops on the Wurtzite lattice, the estimate was subsequently shown to be of excellent accuracy.
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.
A mathematically analogous situation to the degeneracy in water ice is found in the spin ices. A common spin ice structure is shown in Figure 6 in the cubic pyrochlore structure with one magnetic atom or ion residing on each of the four corners. Due to the strong crystal field in the material, each of the magnetic ions can be represented by an Ising ground state doublet with a large moment. This suggests a picture of Ising spins residing on the corner sharing tetrahedral lattice with spins fixed along the local quantization axis, the <111> cubic axes, which coincide with the lines connecting each tetrahedral vertex to the center. Every tetrahedral cell must have two spins pointing in and two pointing out in order to minimize the energy. Currently the spin ice model has been approximately realized by real materials, most notably the rare earth pyrochlores Ho2Ti2O7, Dy2Ti2O7, and Ho2Sn2O7. These materials all show nonzero residual entropy at low temperature.
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.
The spin ice model is only one subdivision of frustrated systems. The word frustration was initially introduced to describe a system's inability to simultaneously minimize the competing interaction energy between its components. In general frustration is caused either by competing interactions due to site disorder (see also the Villain model) or by lattice structure such as in the triangular, face centered cubic (fcc), hexagonal close packed, tetrahedron, pyrochlore and kagome lattices with antiferromagnetic interaction. So frustration is divided into two categories: the first corresponds to the spin glass, which has both disorder in structure and frustration in spin; the second is the geometrical frustration with an ordered lattice structure and frustration of spin. The frustration of a spin glass is understood within the framework of the RKKY model, in which the interaction property, either ferromagnetic or anti ferromagnetic, is dependent on the distance of the two magnetic ions. Due to the lattice disorder in the spin glass, one spin of interest and its nearest neighbors could be at different distances and have a different interaction property, which thus leads to different preferred alignment of the spin.
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.
With the help of lithography techniques, it is possible to fabricate sub micrometer size magnetic islands whose geometric arrangement reproduces the frustration found in naturally occurring spin ice materials. Recently R. F. Wang et al. reported the discovery of an artificial geometrically frustrated magnet composed of arrays of lithographically fabricated single domain ferromagnetic islands. These islands are manually arranged to create a two dimensional analog to spin ice. The magnetic moments of the ordered ‘spin’ islands were imaged with magnetic force microscopy (MFM) and then the local accommodation of frustration was thoroughly studied. In their previous work on a square lattice of frustrated magnets, they observed both ice like short range correlations and the absence of long range correlations, just like in the spin ice at low temperature. These results solidify the uncharted ground on which the real physics of frustration can be visualized and modeled by these artificial geometrically frustrated magnets, and inspires further research activity. These artificially frustrated ferromagnets can exhibit unique magnetic properties when studying their global response to an external field using Magneto Optical Kerr Effect. In particular, a non monotonic angular dependence of the square lattice coercivity is found to be related to disorder in the artificial spin ice system.
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.
Another type of geometrical frustration arises from the propagation of a local order. A main question that a condensed matter physicist faces is to explain the stability of a solid. It is sometimes possible to establish some local rules, of chemical nature, which lead to low energy configurations and therefore govern structural and chemical order. This is not generally the case and often the local order defined by local interactions cannot propagate freely, leading to geometric frustration. A common feature of all these systems is that, even with simple local rules, they present a large set of, often complex, structural realizations. Geometric frustration plays a role in fields of condensed matter, ranging from clusters and amorphous solids to complex fluids. The general method of approach to resolve these complications follows two steps. First, the constraint of perfect space filling is relaxed by allowing for space curvature. An ideal, unfrustrated, structure is defined in this curved space. Then, specific distortions are applied to this ideal template in order to embed it into three dimensional Euclidean space. The final structure is a mixture of ordered regions, where the local order is similar to that of the template, and defects arising from the embedding. Among the possible defects, disclinations play an important role.
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.
Two dimensional examples are helpful in order to get some understanding about the origin of the competition between local rules and geometry in the large. Consider first an arrangement of identical discs (a model for a hypothetical two dimensional metal) on a plane; we suppose that the interaction between discs is isotropic and locally tends to arrange the disks in the densest way as possible. The best arrangement for three disks is trivially an equilateral triangle with the disk centers located at the triangle vertices. The study of the long range structure can therefore be reduced to that of plane tilings with equilateral triangles. A well known solution is provided by the triangular tiling with a total compatibility between the local and global rules: the system is said to be "unfrustrated". But now, the interaction energy is supposed to be at a minimum when atoms sit on the vertices of a regular pentagon. Trying to propagate in the long range a packing of these pentagons sharing edges (atomic bonds) and vertices (atoms) is impossible. This is due to the impossibility of tiling a plane with regular pentagons, simply because the pentagon vertex angle does not divide 2. Three such pentagons can easily fit at a common vertex, but a gap remains between two edges. It is this kind of discrepancy which is called "geometric frustration". There is one way to overcome this difficulty. Let the surface to be tiled be free of any presupposed topology, and let us build the tiling with a strict application of the local interaction rule. In this simple example, we observe that the surface inherits the topology of a sphere and so receives a curvature. The final structure, here a pentagonal dodecahedron, allows for a perfect propagation of the pentagonal order. It is called an "ideal" (defect free) model for the considered structure.
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.
The stability of metals is a longstanding question of solid state physics, which can only be understood in the quantum mechanical framework by properly taking into account the interaction between the positively charged ions and the valence and conduction electrons. It is nevertheless possible to use a very simplified picture of metallic bonding and only keeps an isotropic type of interactions, leading to structures which can be represented as densely packed spheres. And indeed the crystalline simple metal structures are often either close packed face centered cubic (fcc) or hexagonal close packing (hcp) lattices. Up to some extent amorphous metals and quasicrystals can also be modeled by close packing of spheres. The local atomic order is well modeled by a close packing of tetrahedra, leading to an imperfect icosahedral order. A regular tetrahedron is the densest configuration for the packing of four equal spheres. The dense random packing of hard spheres problem can thus be mapped on the tetrahedral packing problem. It is a practical exercise to try to pack table tennis balls in order to form only tetrahedral configurations. One starts with four balls arranged as a perfect tetrahedron, and try to add new spheres, while forming new tetrahedra. The next solution, with five balls, is trivially two tetrahedra sharing a common face; note that already with this solution, the fcc structure, which contains individual tetrahedral holes, does not show such a configuration (the tetrahedra share edges, not faces). With six balls, three regular tetrahedra are built, and the cluster is incompatible with all compact crystalline structures (fcc and hcp). Adding a seventh sphere gives a new cluster consisting in two "axial" balls touching each other and five others touching the latter two balls, the outer shape being an almost regular pentagonal bi pyramid. However, we are facing now a real packing problem, analogous to the one encountered above with the pentagonal tiling in two dimensions. The dihedral angle of a tetrahedron is not commensurable with 2; consequently, a hole remains between two faces of neighboring tetrahedra. As a consequence, a perfect tiling of the Euclidean space R3 is impossible with regular tetrahedra. The frustration has a topological character: it is impossible to fill Euclidean space with tetrahedra, even severely distorted, if we impose that a constant number of tetrahedra (here five) share a common edge. The next step is crucial: the search for an unfrustrated structure by allowing for curvature in the space, in order for the local configurations to propagate identically and without defects throughout the whole space.
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.
Twenty irregular tetrahedra pack with a common vertex in such a way that the twelve outer vertices form a regular icosahedron. Indeed, the icosahedron edge length l is slightly longer than the circumsphere radius r (l ≈ 1.05r). There is a solution with regular tetrahedra if the space is not Euclidean, but spherical. It is the polytope {3,3,5}, using the Schläfli notation, also known as the 600 cell. There are one hundred and twenty vertices which all belong to the hypersphere S3 with radius equal to the golden ratio (φ = ) if the edges are of unit length. The six hundred cells are regular tetrahedra grouped by five around a common edge and by twenty around a common vertex. This structure is called a polytope (see Coxeter) which is the general name in higher dimension in the series containing polygons and polyhedra. Even if this structure is embedded in four dimensions, it has been considered as a three dimensional (curved) manifold. This point is conceptually important for the following reason. The ideal models that have been introduced in the curved Space are three dimensional curved templates. They look locally as three dimensional Euclidean models. So, the {3,3,5} polytope, which is a tiling by tetrahedra, provides a very dense atomic structure if atoms are located on its vertices. It is therefore naturally used as a template for amorphous metals, but one should not forget that it is at the price of successive idealizations.