根据北京大学shindou开设的《量子统计物理》第一次作业第二题整理。
Heisenberg模型是描述铁磁性的最简单的模型。考虑一个$N\times N\times N$,晶格常数为$a$的立方晶体,在每个格点上都有自旋算符$\hat{\vec s}_{\vec j}=(\hat s_{\vec j,x},\hat s_{\vec j,y},\hat s_{\vec j,z})$。哈密顿量为
其中$\langle\vec i,\vec j\rangle$表示近邻原子,相互作用$J>0$。
基态$|full\rangle_z$
显然当所有格点上自旋均同向时能量最低,定义此时为基态$|full\rangle_z$。当然,要求它是哈密顿算符的本征态。
其中$|s(s+1),s\rangle_{\vec j,z}$是$\hat{\vec s}_{\vec j}^2,\hat s_{\vec j,z}$的共同本征态,本征值为$s(s+1),s$。为了证明它是哈密顿量的本征态,先计算$\hat{\vec s}_{\vec i}\cdot\hat{\vec s}_{\vec j}$(不要求近邻)作用其上的结果。
定义升降算符
略去下标$\vec j$,容易证明$[\hat s_z,\hat s_+]=i\hat s_j+\hat s_x=\hat s_+,[\hat s_z,\hat s_-]=-\hat s_-$,因此物理意义为升降算符。这样的话
根据升降算符的性质$\hat s_{\vec i,+}|s(s+1),s\rangle_{\vec i,z}=0$,所以
对所有近邻自旋求和得
较低激发态-准玻色子
使用Holstein-Primakoff变换,玻色子$[\hat b,\hat b^\dagger]=1$
验证对易关系
右边三项都是极其容易证明的。
考虑$\hat b^\dagger\hat b$的本征态$|n\rangle$,则根据(5)式得
大s展开
将(5)代入(3)得到用$\hat b,\hat b^\dagger$表示的哈密顿量,当$s\gg n$时可只保留$\frac1s$低阶项。顺便可定义$M=s-n$代替$n$,但在此处用不到
第二项实际上就是基态能量$E_0-3JN^3s^2$正如(4)式;第一项为了方便起见展开写,最终为
对角化
一般而言,二次型通过傅里叶变换就能做到对角化,也就是说,定义
因为格点有限,所以$\vec k$也是分立的,即用三个整数$k_x,k_y,k_z$描述
容易验证逆变换为
以及对易关系
将(12)代入(9)即可,但在此之前先计算
所以(9)为
即
热容
当然,为了要和实验对比,我们计算定容热容$C_V$,一般过程为
配分函数$Z$:
自由能
内能
其实这也正是Bose-Einstein分布的内能公式。而偏导是因为$F=F(V,T)$,体积的信息包含在$\vec k$中,正如(11)(16)式
进而定容内能为
低温极限根据(16)式可得$\omega_{\vec k}=\rho_s|\vec k|^2$,根据(11)式
因此(17)近似为
所以低温下热容和温度$3/2$次方成正比。