Luiz Renato Fontes
Modelo de Ising (ferromagn´etico) em Zd
Spins emZd
S={−1,+1}Zd . . . configura¸c˜oes de spins em Zd.
Material (ferro)magn´etico em equil´ıbrio termodinˆamico:
Λ⊂Zd, finito;SΛ={−1,+1}Λ
Energia/Hamiltonianodeσ∈ SΛc/cond de fronteiraη∈ SZd
HΛη(σ) =− X
x,y∈Λ
∗Jxyσxσy−X
x∈Λ
hxσx− X
x∈Λ,y∈Λ/
Jxyσxηy,
ondeJxy ≥0,x,y∈Zd;Jxy = 0, sekx−yk16= 1: ctes de acoplamento;
(hx)x∈Zd ∈[0,∞)Zd: campo externo.
Eventual/e: Jxy ≡J>0,x ∼y †;hx ≡0;η ≡+1 ou ≡0 Medida de Gibbs: µηΛ(σ) = 1
ZΛη exp{−βHΛη(σ)},σ∈ SΛ, onde β ≥0 (par: inv temp); ZΛη = X
σ∈SΛ
e−βHΛη(σ): normaliza¸c˜ao
∗Cada par conta s´o uma vez na soma.
†Not: x ∼y sekx−yk1= 1;x,y ditosvizinhos mais pr´oximos
Obs. (hx ≡ 0; η ≡ +1 ou η ≡ −1)
1) Competi¸c˜ao entre confs alinhadas (com maiores pesos de Gibbs individuais) e confs desordenadas (em maior n´umero), mediada p/β;
2) Qto maiorβ, maior o peso das confs alinhadas;
3) Em vol finito,β >0: tendˆencia de alinha/o com a fronteira;
4) Em volinfinito: tendˆencia pode desaparecer;
5)Jxy ≡J>0,x∼y, vol∞,d ≥2: trans. fase;∃βc ∈(0,∞):
a) seβ < βc, alinhamento desaparece;
b)β > βc: alinhamento persiste (magnetiza¸c˜ao espontˆanea);
6)Jxy ≡J,x∼y,d = 1: n˜ao h´a magnetiza¸c˜ao espontˆanea;
7)Jxy ≡J,x∼y,hx ≡h>0: alinha/o com o campo vence.
De agora em diante: η≡+1 (fronteira +) ou≡0 (fronteiralivre) (substη por + ou 0, resp, emH,µ eZ).
Dado∅ 6=A⊂Λ eσ ∈ SΛ, sejaσA =Q
x∈Aσx; e σ∅ = 1.
Not: 1) Dadaf :SΛ→Re ∗= + ou 0:
hfi∗Λ=µ∗Λ(f) = Z
f(σ)dµ∗Λ(σ) = X
σ∈SΛ
f(σ)µ∗Λ(σ), 2)hσA;σBi∗Λ=hσAσBi∗Λ− hσAi∗ΛhσBi∗Λ.
Proposi¸c˜ao 1. (6=0s de Griffiths)
∀A,B ⊂Λ e∗= + ou 0 (i)hσAi∗Λ≥0;
(ii)hσA;σBi∗Λ≥0.
6=0s Griffiths
Dem.Basta fazer o caso∗= 0, pois hσAi+Λ = limh→∞hσAi0¯
Λ, (0)
onde ¯Λ = Λ∪∂+Λ,∂+Λ ={y ∈/ Λ : x ∼y}, e hx ≡h em∂+Λ.
(i) Basta mostrar que X
σ∈SΛ
σAexpn X
x,y∈Λ
Jxyσxσy+X
x∈Λ
hxσxo
≥0 (1)
(β incorporado nos Js ehs, spg).
Sejam{ei,i ∈ M={1, . . . ,M}} e {xj,j ∈ N ={1, . . . ,N}}
enumera¸c˜oes dos elos e s´ıtios de Λ, resp; fa¸camosJi =Jei =Jyi,zi, σei =σyiσzi, onde yi,zi s˜ao as extr deei, e hj =hxj; ent˜ao
exp{· · · }=
∞
X
n=1
1 n!
n
X
k=0
n k
X
σ
σA X
i∈M
Jiσeik X
j∈N
hjσxjn−k
Expandindo as potˆencias, temos, resp, X
(i1,...,ik)∈Mk
Ji1...ikσei
1...eik, X
(j1,...,jn−k)∈Nn−k
hj1...jn−kσxj
1...xjn−k, ondeJi1...ik =Ji1· · ·Jik ≥0;σei
1...eik =σei
1· · ·σeik, e similarmentehj1...jn−k ≥0 e σxj1...xjn−k.
Logo, o lado esq de (1) fica:
∞
X
n=1
1 n!
n
X
k=0
n k
X
i1,...,ik
Ji1...ik X
j1,...,jn−k
hj1...jn−kX
σ
σF
z }| { σAσei
1...eikσxj
1...xjn−k, para certoF ⊂Λ (que pode ser ∅).
Basta agora verificar que seF 6=∅, ent˜ao X
σ∈SΛ
σF = Y
x∈Λ\F
X
σx∈{−1,+1}
1
| {z }
2
×Y
x∈F
X
σx∈{−1,+1}
σx
| {z }
0
= 0 (i)
Dem. Griffiths (ii)
Sejaσ0 uma c´opia indep deσ, ie,σ0 tem distr marg µ0Λ=µ (omitimos ´ındices 0 e Λ no resto da dem) e ´e indep de σ; ent˜ao hσA;σBi=hσAσBi − hσAihσBi= 12h(σA−σA0)(σB−σB0 )i. (2) Sejam agora, parax∈Λ,τx = σx +σx0
2 , τx0 = σx−σ0x
2 ; ent˜ao σA−σA0 = Y
x∈A
σx −Y
x∈A
σx0 = Y
x∈A
(τx+τx0)−Y
x∈A
(τx −τx0)
= X
C⊂A
Y
x∈C
τx
| {z }
τC
Y
x∈A\C
τx0
| {z }
τA\C0
1−(−1)|A\C|
| {z }
aC≥0
= X
C⊂A
aCτCτA\C0 ;
∴(σA−σA0)(σB −σB0 ) = X
C⊂A D⊂B
aC bD
|{z}
1−(−1)|B\D|
τCτDτA\C0 τB\D0 (3)
Repetindo:
(σA−σA0 )(σB−σB0 ) = X
C⊂A D⊂B
aCbD τCτDτA\C0 τB\D0 (3) Por outro lado (incβ nosJs e hs),
µ(σ)µ(σ0) = 1
Z2 expn X
x,y
Jxy˜
z}|{2Jxy(τxτy+τx0τy0)
z }| { Jxy(σxσy +σx0σy0) +X
x
2hxτx=˜hxτx
z }| { hx(σx +σx0)
o
(4)
∴Z2h(σA−σA0)(σB −σB0 )i= X
C⊂A D⊂B
aCbD
X
τΛ,τΛ0∈S0Λ:={−1,0,+1}Λ
τCτDτA\C0 τB\D0 expn X
i
J˜i(τei+τe0i) +X
j
˜hjτxj
o
(5)
Dem. Griffiths (ii) (cont)
A soma interna em (5) pode ser escrita da seguinte forma:
X
τΛ,τΛ0∈S0Λ
τCτD expn X
i
J˜iτei +X
j
˜hjτxjo
τA\C0 τB\D0 expn X
i
J˜iτe0
i
o
= X
τΛ∈SΛ0
τCτD expn X
i
J˜iτei+X
j
h˜jτxj
o× (6)
× X
τΛ0∈S0Λ
τA\C0 τB\D0 expn X
i
J˜iτe0
i
o
(7)
Os fatores em (6,7) s˜ao similares — no segundo o campo externo ´e≡0.
Basta mostrar que o primeiro ´e≥0.
Procedendo como em (i), expandindo a exp, a expr em (6) pode ser escrita como a soma de termos≥0 multiplicando termos da forma
X
τΛ∈SΛ0
Y
x∈F
τxkx, com F ⊂Λ ekx ∈ {0,1,2},x∈Λ.
Como na parte (i), esta soma ´e um produto de fatores obviamente positivos multiplicado por produto de termos da forma
X
τx∈{−1,0,+1}
τxkx, p/algum x∈Λ.
Cada uma destas somas acima ´e obvia/e ≥0, sekx = 0 ou 2;
e se anula, sekx = 1; de toda forma, ´e sempre ≥0.
Logo, a expr em (5) ´e ≥0, e o resultado segue da subst em (2).
(ii)
6=0s Griffiths — Corol´arios
1) DadoA⊂Λ,hσAi∗Λcresc em cadaJxy e hx,x,y ∈Λ, e∴ emβ.
Pois, tomando a derivada dehσAi∗Λ em rela¸c˜ao a qquer um destes argumentos, basta notar que ´e≥0:
d
dhxhσAi∗Λ=hσA;σxi∗Λ, dJd
xyhσAi∗Λ=hσA;σ{x,y}i∗Λ s˜ao ambas≥0 por Griffiths (ii).
2) De (0) e de 1), segue quehσAi0Λ≤ hσAi+Λ.
3) ”hσAi∗Λ ´e crescente emd.” Sejad ≥2 e suponha que A⊂Zd−1× {0}; sejaA−={x∈Zd−1 : (x,0)∈A}.
De 1): hσAi∗Λ≥ hσA−i∗Λ−, onde Λ−={x ∈Zd−1: (x,0)∈Λ}.
6=s Griffiths — Corol´arios (cont)
4) SeA⊂Λ⊂Λ0, ent˜ao: a) hσAi0Λ≤ hσAi0Λ0, e b) hσAi+Λ ≥ hσAi+Λ0. Checagem de a): explicitando dep emJ={Jxy}, temos que hσAi0Λ(J) =hσAi0Λ0(J0), comJxy0 =
(Jxy, sex,y ∈Λ;
0, c.c.
Checagem de b): explicitando dep emh={hx}, temos que hσAi+Λ(J) = limh→∞hσAi+Λ0(h+), comJxy+ =
(hx, sex ∈Λ;
h, c.c.
40) De 4) segue que, dada (Λn)n≥1 uma seq cresc (na ordem de inclus˜ao) de subcjs finitos deZd tq ∪n≥1Λn=Zd. Ent˜ao∀A⊂Zd finito, os seguintes limites existem (por monotonicidade)
hσAi∗ := limn→∞hσAi∗Λ
n,∗= 0,+, (?)
e n˜ao dependem da particular seq (Λn)n≥1 satisfazendo as conds acima. (Verifique!)
Limite termodinˆamico
Para∗= 0,+, de 40) acima segue que os limiteshσAi∗,A⊂Zd finito, definidos acima, podem ser usados para obter medidas de probabilidadeµ∗ em (S,G), ondeS ={−1,+1}Zd e G ´e a σ-´algebra gerada pelos subcjs cilindr´ıcos de S tq
µ∗(σA) =hσAi∗ ∀A⊂Zd finito.
(Isto segue do fato de qq f¸c cil´ındrica f :S →R´e uma comb linear deσA’s comA0s finitos‡.)
Pelo restante deste t´opico do curso, vamos nos ater a estas medidas de Gibbs em volume infinito, em particular, µ+. N˜ao ´e dif´ıcil checar que as ppddes de monotonicidade deµ∗Λ estabelecidas acima s˜ao herdadas por µ∗.
‡inclusiveA=∅
Vamos tomar o modelo sem campo, ie, comhx ≡0. Neste caso, temos a simetria por troca global de spinsσx → −σx ∀x em µ0Λ para todo Λ finito, e ent˜ao tb emµ0. Logo a magnetiza¸c˜aoda origem c/ fronteira livreµ0(σ0) =hσ0i0= 0.
N˜ao ´e dif´ıcil ver por um argumento direto que se houver um caminhoγ (no mesmo sentido usado em percola¸c˜ao) ligando a origem `a fronteira de Λ finito tqJ·>0 em todos os elos de γ, e seβ >0, ent˜ao hσ0i+Λ >0. (Veremos um argumento indireto adiante.)
Mas isto n˜ao garante quehσ0i+>0 para todoβ >0, mesmo que Jxy seja uniforme/e positivo para todo elo vizinho mais pr´oximo hx,yide Zd (na linguagem de percola¸c˜ao).
A seguir definimos o parˆametro cr´ıtico do modelo.
Transi¸c˜ao de fase (cont)
βc= sup{β ≥0 :hσ0i+= 0}
{· · · }´e n˜ao-vazio (verifique que cont´em 0), mas pode ser ilimitado, neste casoβc=∞. Pela monotonicidade emβ:
hσ0i+
(= 0, seβ < βc;
>0, seβ > βc.
Diremos que o modelo de Ising exibetransi¸c˜ao de fase(n˜ao trivial) seβc ∈(0,∞).
Veremos que o modelo de Ising homogˆeneo (Jxy ≡J>0, x∼y) sem campo ext (hx ≡0) exibe transi¸c˜ao de fase em d ≥2.§ Isto ser´a feito, diferentemente do mais usual, por meio de uma representa¸c˜ao do modelo de Ising em termos de um modelo de percola¸c˜ao dependente, que por sua vez ser´a comparado com o modelo independente que j´a estudamos.
Come¸camos a seguir pelo modelo de percola¸c˜ao dependente.
§Pode-se mostrar queβ =∞emd= 1.
Vamos voltar ao quadro do modelo de percola¸c˜ao, desta vez em volume finito.
SejamQn={−n, . . . ,n}d,En={hx,yi ∈ Ed : x,y ∈ Qn}, En+={hx,yi ∈ Ed : x∈ Qn}, e∂En+1 =En+1\ En+.
Seja Ωn={0,1}En+ o esp de confs de elos fechados e abertos de Q+n ={y∈Zd : y∼x para algum x∈ Qn}(como no mod de perc, mas em vol fin), e seja
Ωan= Ωn× {1}∂En+1 o esp de confs de elos fechados e abertos de Qn+1 em que os elos de ∂En+1 est˜ao todos abertos (amarrados).
Paraω∈Ωn,ω0∈Ωan tqω0|E+
n =ω, sejaN(ω) o n´umero de aglomerados distintos determinados porω0 emQn+1.
Obs. Aglomerados distintos de Ωn (usando s´o elos de ω) que tocam∂+Qn:=Q+n \ Qn fazem parte de um mesmo aglomerado qdo adicionamos os elos abertos/amarrados de∂En+1.
MAA (cont)
ω∈Ω2(linhas escuras);N(ω) = 5 Sejamp∈[0,1] eq >0 parˆametros. Seja a prob em Ωn
φn(ω) =φp,qn (ω) = Z1
nqN(ω)P(ω), (8)
ondeP=Pp ´e a prob produto em Ωn tq ωe ∼P Bernoulli(p), e∈ En+, (como em perc indep), eZn´e a normaliza¸c˜ao:
Zn=Zn(p,q) =P
ω∈ΩnqN(ω)P(ω) =E(qN). (9)
1)φp,1n ´e o modelo de perc indep (emQ+n);
2) Paraq 6= 1, trata-se de um modelo de percdependente, ie, as va’sωe,e ∈ En+ s˜ao dependentes.
3) Veremos adiante que h´a uma repr simples da medida de Gibbs µ+Qn do modelo de Ising em termos deφp,2n (modelo dependente), comp =p(β) uma f¸c deβ a ser explicitada. Isto pode parecer n˜ao facilitar muito, pois transferimos a an´alise de µ+Q
n para φp,2n , que n˜ao ´e particularmente simples, a n˜ao ser que podemos comparar φp,qn com q >1 a φp,1n , que ´e o caso indep, por cima e por baixo.
Com isto, obteremos o resultado de trans de fase para o modelo de Ising a partir do resultado de trans de fase que j´a obtivemos para percola¸c˜ao independente.
Desigualdades de compara¸c˜ao
Proposi¸c˜ao 2. (6=0s de compara¸c˜ao)
Paraq ≥1, existe p0=p0(p,q) cont em (p,q), cresc emp, tq p0(1,q) = 1 e para todo n≥0 e X :En+ →Rcrescente, temos
φpn0,1(X)≤φp,qn (X)≤φp,1n (X), (10) ondeφ···(X) ´e a esperan¸ca de X sob φ···.
Dem.Segue do Exerc´ıcio 2 da Lista 2.
Obs. 1) Podemos de fato tomarp0 = p+(1−p)qp = 1 1
pq−(q−1), (11) o que indica a monotonici// emp, mas tb emq (p0 & em q).
2) Sejam a esfera emL1 centrada em 0 de raio k,
Sk ={x∈Zd : kxk1 =k}, e ∂Sk =Sn\Sk−1,k ≥1, e o evento{0↔∂Sk}=∪x∈∂S {0↔x}.
FazendoX =1{0↔∂Sk} em (10),k ≤n+ 1:
φpn0,1(0↔∂Sk)≤φp,qn (0↔∂Sk)≤φp,1n (0↔∂Sk).
Sejam agora θ−q(p) = lim
k→∞lim inf
n→∞ φp,qn (0↔∂Sk);
θ+q(p) = lim
k→∞lim sup
n→∞
φp,qn (0↔∂Sk)
Ent˜aoθ(p0) =θ1(p0)≤θ−q(p)≤θq+(p)≤θ1(p) =θ(p), e logo θ+q(p) = 0, sep<pc; eθq−(p)>0, sep0>pc ⇔p>pˆc:=fq−1(pc), ondefq(p) =p0(p,q)
(11): fq−1(r) = qr 1 + (q−1)r
. (12) (”Transi¸c˜ao de fase n˜ao trivial”no MAA em d≥2: pc<1⇒pˆc <1;
MAA ”trivial”emd = 1).
Obs.
3) O limiteφp,q:= limn→∞φp,qn existe (como uma prob em (Ω,F)) para q ≥1 e θq−(p) =θ+q(p) =:θq(p) =φp,q(|C|=∞).
θq(p)% em p; fazendo pc(q) = sup{θq(p) = 0}, e logo θq(p)
(= 0, sep<pc(q);
>0, sep>pc(q); (12): ˆpc ≤pc(q)≤pc. (MAA exibe trans fase n˜ao trivial emd ≥2 e ´e trivial em d = 1.) 4) Podemos definir um outro MAA emQn, desta vez comfronteira livre, ie, sem aamarra¸c˜aoda fronteira imposta acima. Este modelo tb se relaciona com o modelo de Ising, mas o com fronteira livre.
O limite emn do modelo livre tb existe e tem propriedades semelhantes `as do modelo amarrado.
Vamos estabelecer uma repr do modelo de Ising homogˆeneo e sem campo (Jxy ≡J >0,x ∼y;hx ≡0) com fronteira + em termos de um MAA comq= 2 ep=p(βJ) adequado.
Vamos come¸car tomandoJ = 1 spg (ou incorporandoJ emβ).
Dadoσ∈ Sn:=SQn, usando a not σe intr no slide 6 (abaixo de (3)) µ+n(σ) :=µ+Q
n(σ) = 1 Zn+
eβ
P
e∈E+ n σe
= 1 Zn0eβ
P
e∈E+ n(σe−1)
, (13)
comσ|∂+Qn ≡+1. (14)
Ofator de Gibbsdeσpode ser escrito da seguinte forma:
Q
e∈En+eβ(σe−1)=Q
e∈E+n(pδe(σ) + (1−p)),
ondep= 1−e−2β eδe(σ) =1{σe=1}. Expandimos o produto:
X
ω∈Ωn
Y
e∈En+:ωe=1
(pδe(σ)) Y
e∈En+:ωe=0
(1−p) =
Representa¸c˜ao FK (cont)
= X
ω∈Ωn
Y
e:ωe=1
δe(σ) Y
e:ωe=1
p Y
e:ωe=0
(1−p) = X
ω∈Ωn
χσ(ω)P(ω), (15) onde
χσ(ω) =1{σtem o mesmo sinal em cada o aglomerado de (Q+n, ω)}.
Logo,Zn0 =P
σ∈Sneβ
P
e∈E+ n(σe−1)
=P
ω∈Ωn
P
σ∈Snχσ(ω)P(ω). (16) Recordando (14), concluimos que a soma interna em (16) vale 2N0(ω), ondeN0(ω) ´e o # de aglomerados de (Q+n, ω) que n˜ao tocam∂+Qn. Note queN0(ω) =N(ω)−1. Logo
Dadoω∈Ωn, sejaC1, . . . ,CN uma enum dos aglos6=0s de (Q+n, ω), ondeN=N(ω), tqC1´e o aglom da fronteira. Ent˜ao:
χσ(ω) =1{σ|C1 ≡+1}QN
i=21{σ|Ci ≡ −1 ou ≡+1}
= 2N−11{σ|C1 ≡+1}QN i=2
1
21{σ|Ci ≡ −1 ou ≡+1}
= 2N−1Pω(σ), (17)
onde, dadaω∈Ωn eC1, . . . ,CN,Pω ´e a prob emSn que atribui spin +1 aos s´ıtios deQn conectados `a fronteira (∂+Qn) — ie, a C1∩ Qn —, e, para os s´ıtios de cadaCi, atribui o mesmo spin −1 ou +1, escolhido uniformemente ao acaso, e de forma
independente paraCis 6=0s.
Subst (17) em (15) e (16), segue de (13) que µ+n(σ) = 2
Zn X
ω∈Ωn
Pω(σ) 2N(ω)−1P(ω) = X
ω∈Ωn
Pω(σ) 1
Zn2N(ω)P(ω), ondeZn=Zn(p,2). Em outras palavras:
µ+n(σ) = X
ω∈Ωn
Pω(σ)φp,2n (ω). (18)
Magnetiza¸c˜ao
De (18), amagnetiza¸c˜ao hσ0i+n =µ+n(σ0) =P
ω∈ΩnPω(σ0)φp,2n (ω).
Dadaω∈Ωn, se 0 n˜ao estiver conectada `a fronteira deQn por um caminho aberto deω (ie, se 0∈ Ci para algum i = 2, . . . ,N(ω)), ent˜ao Pω(σ0) ´e a esperan¸ca da distr unif em {−1,+1}, e logo Pω(σ0) = 0.
Por outro lado, se 0 estiver conectada `a fronteira (ie, se 0∈ C1), ent˜ao Pω(σ0) = 1.
Logohσ0i+n =φp,2n (0↔∂+Qn), e de (10):
Pp0(0↔∂+Qn)≤ hσ0i+n ≤Pp(0↔∂+Qn).
Tomandolimn→∞: θ(p0)
(i)
≤ hσ0i+(ii≤)θ(p), (19) ondep = 1−e−2β e p0 = 2−pp = 1−e1+e−2β−2β. (20)
De (19) e (20) e dos resultados para percola¸c˜ao independente:
1) Emd= 1,p<1 para todoβ <∞, e logo de (19ii)hσ0i+= 0, e o modelo de Ising unidimensional ´e trivial.
2) Emd≥2,pc <1:
a) se 1−e−2β <pc ⇔β <logq
1
1−pc, ent˜aohσ0i+ (19= 0;ii) b) se 1−e1+e−2β−2β >pc⇔β >logq
1+pc
1−pc, ent˜aohσ0i+(19i)> 0;
logo, o modelo de Ising exibe trans de fase ˜n trivial emd≥2 e logq
1
1−pc ≤βc≤logq1+p
c
1−pc
20) Emd= 2, temos cotas expl´ıcitas (pois sabemos quepc = 1/2):
log√
2≤βc ≤log√ 3 (Sabe-se, neste caso, queβc = logp
1 +√ 2.)
3) Podemos mostrar em geral que sehσ0i+= 0, ent˜aoµ+=µ0, ie, as medidas de Gibbs em vol∞com fronteira livre e + s˜ao iguais (o que obvia/e n˜ao ´e caso seµ+(σ0) =hσ0i+>0 =µ0(σ0)).