spinsystemen

Spinsystemen beschrijven collectieve magnetische momenten (spins) die op een rooster of moleculaire structuur zijn geplaatst en onderling via wisselwerking (exchange) interageren. Ze dienen als modellen voor magnetische materialen, kwantummagneten en systemen in de quantuminformatie-wetenschap. De spins zijn quantummechanische grootheden met discrete waarden en vormen de basis van spin-Hamiltonians die de energie van configuraties bepalen.

Veel voorkomende modellen zijn het Ising-model, het Heisenberg-model en het XY-model. Naburige spins wisselen interacties uit onder invloed van de couplings, anisotropie en een extern magnetisch veld. In het Ising-model hebben spins s_i = ±1; in de Heisenberg- en XY-modellen beschrijven spins vectorvelden met S_i·S_j-interacties. Systemen komen voor op een variëteit aan roosters, van één- tot driedimensionale netwerken, en kunnen frustratie vertonen bij geometrische configuraties zoals triangulare en kubusachtige netwerken.

Experimenteel worden spinsystemen gerealiseerd in magnetische oxiden en andere vaste stoffen, evenals in ultrakoude atomen in optische roosters of bij NV-centra in diamant. Ze dienen als platform voor quantum-simulaties, entanglement en informatieverwerking, en dragen bij aan de ontwikkeling van quantum-technologie en materialenwetenschap.

Onderzoek naar spinsystemen maakt gebruik van analytische resultaten in speciale gevallen (bijv. 1D Ising, Bethe-ansatz) en talrijke numerieke methoden zoals exacte diagonalisatie, quantum Monte Carlo, DMRG en tensor-netwerken. Geselecteerde fasen omvatten ferro- en antiferromagnetische orde, paramagnetisme en, bij sterke quantumfluctuaties, quantum-spinliquide toestanden. Belangrijke observabelen zijn magnetisatie, susceptibiliteit en correlatiefuncties.

Spinsystemen zijn relevant voor quantum-informatie, materiaalontwerp en fundamenteel begrip van many-body-interacties.