[模型]Edwards-Anderson模型的模拟技术

Edwards-Anderson(EA)模型由S. F. Edwards和P. W. Anderson于1975年提出,用来描述自旋玻璃现象。

定义

EA模型是一个点阵模型,其哈密顿量定义为

与Ising模型相同的是格点$i$的自旋$s_i$可以取$\pm1$。与Ising模型的决定性的区别在于格点间相互作用$J_{ij}$的随机性:设最近邻格点$i,j$之间的相互作用为$J_{ij}$的概率为$P(J_{ij})$,则要求$\sum_{\la ij\ra}J_{ij}P(J_{ij})=0$。这样的定义意味着EA模型在任何非零温度下没有自发的宏观平均磁矩(Ising模型在临界温度下有自发的宏观平均磁矩,尽管统计的平均磁矩为零)。

比较常用的$J_{ij}$的分布有两点分布,即取$\pm J$的概率各为$\frac12$;以及高斯分布 $N(0,J)$等。所有的$J_{ij}$一经给定,就不再随时间改变。

性质和现象

相变与自旋玻璃态

高温下为顺磁态,低温下为自旋玻璃态。宏观的平均磁化率在某一温度达到峰值,该温度称为自旋玻璃相变温度$T_{sg}$。

阻挫

与铁磁性的Ising模型显著不同的是,EA自旋玻璃态有着自旋玻璃态的特征性质:存在无法同时使铁磁性相互作用($J_{ij}>0$, FM)和反铁磁性相互作用($J_{ij}<0$, AFM)能量同时最小的情况,例如下图在一个正方形元胞(2x2)的三个顶点上,假如使反铁磁能量最小,确定左边两个格点自旋反平行,而此时无论右边的两个格点取何种状态,都不可能使铁磁性相互作用最小。这个现象就是自旋玻璃的阻挫(frustration)。此时三种不同的系统构型(右边两格点上上、下下、上下)有相同的能量,即简并。
阻挫示意图
自旋玻璃研究的最大困难在于阻挫。阻挫使得相空间中的能量曲面非常复杂,导致系统的平衡和非平衡性质难以在理论上精确描述;系统基态存在很大的简并度,而能量曲面存在很多局部极小,所以难以通过局部优化的方法求解。

算法

Parallel Tempering 并行退火

Feng, Sheng, et al. “Three Dimensional Edwards-Anderson Spin Glass Model in an External Field.” arXiv preprint arXiv:1403.4560 (2014).

在Markov Chain Monte Carlo中加入并行退火算法以翻越势垒。这篇文章使用了GPU加速并行,用了56个并行温度。

参考资料

  1. Edwards, Samuel Frederick, and Phil W. Anderson. “Theory of spin glasses.” Journal of Physics F: Metal Physics 5.5 (1975): 965. (原始文献)
  2. Dasgupta, Chandan. Introduction to the Theory of Spin Glasses (2018.5)