我简单地把这件事说一遍,但是越往后细节越少,部分原因是打公式很累

一个系统的序参量可以用一个场来描述,尽管在更小的尺度上,一定是分立的。这个场写成$m(x)$, $m\in \mathbb{R}^n$, $x\in\mathbb{R}^d$。这种经过coarse-grain的尺度叫mesoscopic,这个尺度的好处是,足够大以至于微观序参量分布的奇性被中心极限定理洗掉了,而宏观上相变带来的奇性又意味着(对m(x)来说)无穷大的关联长度。所以显得恰到好处。

系统的配分函数,从微观的角度来看,仍然是$\text{tr}[e^{-\beta\mathcal{H_{mic}}}]$, 但也可以写成对系统每一点的序参量的每一种状态的积分$\int\mathcal{D}m\mathcal{W}(m)$。其中,权重满足$-\ln\mathcal{W}(m)\equiv\beta\mathcal{H}(m)$。

原则上,这个权重的形式应当是通过bottom-up的方式,从薛定谔方程得到的。然而,一些来自于基本的物理性质的要求就可以把它约束的很好,以至于我们可以直接基于这个约束后的形式,得到一些普遍的规律。

首先,我们可以认为,如果系统两个部分不相连,则某种总体分布的概率,是两部分分别符合这分布的概率之积。因此取了对数之后,就有可加性,故$-\beta\mathcal{H}=\int d^dx\Phi[m, x]$。那么耦合的情况呢?我们可以写$-\beta\mathcal{H}=\int d^dx\Phi[m, \nabla m, \cdots, x]$,并且由于系统的对称性,把只和x有关的项也扔掉,把m的奇次方项也扔掉。那就是$-\beta\mathcal{H}=\int d^dx\Phi[m^2, \cdots, (\nabla m)^2, \cdots]$。

于是我们可以得到 Landau-Ginzburg Hamiltonian: $\beta\mathcal{H}=\beta F_0+\int d^dx\Phi[tm^2+um^4+K/2(\nabla m)^2+\cdots-h\cdot m]$。

一般来说,这个积分非常恶心。但是可以用常用的手段(saddle point approx, 我简称spa)来近似。就是用积分中最大一项的值代替整个积分。对于这件事情的合法性,本文最后会有一些说明。首先,为了求最大值,梯度那项必须是0,m是个常数。所以基本上就是四次方程求极值,也就是热力学里面提到的朗道相变的版本。然后这里面有一些可以看出来的物理上的要求,包括$u>0$, $K>0$, $t=a(T-T_c)+O(T-T_c)^2, a>0$。

从这个简单版本里面也能得到四个临界指数:热容对温度、序参量对温度、响应函数对温度、序参量对刺激。

这儿可以考虑一个概念:自发对称破缺。比如高温时系统只有一个free energy extremum,稳定在一团乱麻上,降温后降低内能的需求压倒了升高熵的需求,系统必须选一个边站:在一些free energy extremum中选一个。如果对称性是离散的,则选了一个之后,基本上不容易翻越势垒跑到另外一个。但如果对称性是连续的,则在这些地方中间跑来跑去并不怎么会被制裁。这种行为叫goldstone模,它有更深刻的含义,我也不懂。比如超流He的序参量$\phi=\bar{\phi}e^{i\theta(x)}$在复平面上,只要保证$\bar{\phi}$找对地方了,$\theta$的变化不怎么费事。此时$\beta\mathcal{H}=\beta\mathcal{H_0}+\int d^dx (K\bar{\phi}/2)(\nabla\theta)^2$,我听说后一项就是超流的奥秘了,但我也不是很懂这些。

一个学过朗道相变的人知道那种铁磁-顺磁相变是没有goldstone模的。容易想到这种连续的local extremum的存在性和维数有关。实际上,Mermin-Wagner定理说明了goldstone模的维数下限就是2。对于这里的这种特殊情况($\int d^dx (K\bar{\phi}/2)(\nabla\theta)^2$),我们可以通过计算系统的涨落$\left<[\theta(x)-\theta(x')]^2\right>$来证明,这玩意在$d<2$会发散掉,反之则不会。

研究系统的涨落是很有好处的。对于最普遍的情况,研究平衡态附近的涨落:$m=(\bar{m}+\phi_l(x))\hat{e}_1+\phi_{t, \alpha}(x)\hat{e_\alpha}$。算出来这种微扰后对应的概率,(用Fourier变换,变换出来是一个$\exp[-\frac{K(q^2+\xi^{-2})}{2}|\phi(q)|^2]$的连乘的形式,再基于$\phi(q)$往下算,都是常规操作,不过我以前不熟悉,更显得很菜。),并借着这个结果把关联函数$G=\left<(m_\alpha(x)-\bar{m}_\alpha)(m_\beta(x)-\bar{m}_\beta)\right>=\left<\phi_\alpha(x)\phi_\beta(x')\right>$算出来,发现他正比于$e^{-x/\xi}$(这儿也能看出来,$\xi$就是关联长度)。

最后,我们来看一看spa合法性的问题。把上面那涨落带进配分函数(的奇异的部分),做Fourier变换得到$e^{-V(\bar{m}^2t/2+u\bar{m}^4)}$和一堆gauss积分的连乘。求热容,容易知道平衡态部分(指数部分)对应的热容是0和1/8u,而涨落部分要分开看:$d\geq4$的时候,是常数,可以不用管;反之,$C_{fluc}\propto\frac{\xi^{4-d}}{K^2}$, 这时通过比较这项和$1/8u$来判断涨落是否仍可以忽略,这就是Ginzburg判据了。在顺磁-铁磁的情形下,不能忽略;但是对于超导体,尽管其序参量也不到四维,但库珀对比较大,这导致$\xi$也大,所以就可以不考虑这部分涨落