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Square lattice Ising model

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33: 536: 1439: 2250: 1354: 2569: 335: 2030: 2041: 3180: 774: 1161: 2697: 1434:
the spins need to change an even number of times so that one arrives at the starting point with the same charge, every vertex of the dual lattice is connected to an even number of lines in the configuration, defining a polygon.
2450: 1805: 1578: 2938: 929: 854: 1675: 531:{\displaystyle Z_{N}(K\equiv \beta J,L\equiv \beta J^{*})=\sum _{\{\sigma \}}\exp \left(K\sum _{\langle ij\rangle _{H}}\sigma _{i}\sigma _{j}+L\sum _{\langle ij\rangle _{V}}\sigma _{i}\sigma _{j}\right).} 1014: 278: 1895: 3435: 2442: 2399: 2245:{\displaystyle Z_{N}(K,L)=(\cosh K\cosh L)^{N}\sum _{\{\sigma \}}\prod _{\langle ij\rangle _{H}}(1+v\sigma _{i}\sigma _{j})\prod _{\langle ij\rangle _{V}}(1+w\sigma _{i}\sigma _{j})} 2756: 1348: 3621: 3471: 1903: 3559: 2730: 2839: 1386: 571: 1414:, a polygon is associated to the lattice by drawing a line on the edge of the dual lattice if the spins separated by the edge are unlike. Since by traversing a vertex of 1412: 1276: 1195: 2798: 1850: 2973: 2317: 2285: 618: 1432: 1215: 172: 51: 3216: 1050: 137: 2351: 1084: 610: 1250: 1077: 238: 3588: 2965: 2859: 324: 301: 211: 2580: 1447: 327: 2564:{\displaystyle \sum _{\sigma _{i}=\pm 1}\sigma _{i}^{n}={\begin{cases}0&{\mbox{for }}n{\mbox{ odd}}\\2&{\mbox{for }}n{\mbox{ even}}\end{cases}}} 1683: 1456: 2867: 4101: 3692: 2574:
shows that only configurations with an even number of lines at each vertex (polygons) will contribute to the partition function, giving
1591:
are the number of horizontal and vertical lines in the polygon, with the factor of 2 arising from the inversion of spin configuration.
3960: 3942: 3826: 860: 785: 3977: 69: 1610: 952: 4161: 3989: 4156: 2353:
terms in the expansion. Every term corresponds to a configuration of lines of the lattice, by associating a line connecting
3770: 2804: 574: 243: 3765: 1225:
denote the number of unlike neighbours in the vertical and horizontal directions respectively. Then the summand in
3984: 3835:
Hucht, Alfred (2021). "The square lattice Ising model on the rectangle III: Hankel and Toeplitz determinants".
3224: 2404: 2364: 4166: 94: 1863: 3709:
Baxter, Rodney J. (2016). "The bulk, surface and corner free energies of the square lattice Ising model".
2735: 2025:{\displaystyle e^{K\sigma \sigma '}=\cosh K+\sinh K(\sigma \sigma ')=\cosh K(1+\tanh K(\sigma \sigma ')).} 1284: 3593: 2944: 83: 3443: 4120: 4050: 3998: 3902: 3854: 3786: 281: 3953:
Statistical field theory, Volume 1: From Brownian motion to renormalization and lattice gauge theory
2503: 3479: 2712: 102: 3175:{\displaystyle -\beta F={\frac {\log(2)}{2}}+{\frac {1}{2\pi }}\int _{0}^{\pi }\log \leftd\theta } 2818: 1364: 769:{\displaystyle \beta F\left(K^{*},L^{*}\right)=\beta F\left(K,L\right)+{\frac {1}{2}}\log {\big }} 549: 3918: 3878: 3844: 3760: 3744: 3718: 1391: 1255: 1174: 304: 179: 2761: 1813: 2290: 2258: 1156:{\displaystyle {\frac {kT_{\text{c}}}{J}}={\frac {2}{\ln(1+{\sqrt {2}})}}\approx 2.26918531421} 4097: 4014: 3973: 3956: 3938: 3870: 3822: 3802: 3736: 3688: 1417: 1200: 157: 3188: 1022: 116: 4128: 4058: 4041:(1944), "Crystal statistics. I. A two-dimensional model with an order-disorder transition", 4006: 3910: 3862: 3794: 3728: 3653: 2326: 580: 4140: 4070: 4026: 3702: 1228: 1055: 216: 4136: 4066: 4022: 3698: 17: 3679: 3567: 4124: 4054: 4002: 3906: 3858: 3790: 3732: 2950: 2844: 2692:{\displaystyle Z_{N}(K,L)=2^{N}(\cosh K\cosh L)^{N}\sum _{P\subset \Lambda }v^{r}w^{s}} 309: 286: 196: 152: 4150: 3922: 3882: 3675: 98: 4077: 4038: 3814: 3748: 106: 3642:"Crystal Statistics. I. A Two-Dimensional Model with an Order-Disorder Transition" 3641: 3890: 3756: 148: 89: 3985:"Correlations and spontaneous magnetization of the two-dimensional Ising model" 3866: 1800:{\displaystyle Z_{N}(K,L)=2e^{N(K+L)}\sum _{P\subset \Lambda _{D}}e^{-2Lr-2Ks}} 1573:{\displaystyle Z_{N}(K,L)=2e^{N(K+L)}\sum _{P\subset \Lambda _{D}}e^{-2Lr-2Ks}} 4108: 3798: 182:
in both the horizontal and vertical directions, which effectively reduces the
4018: 3874: 3806: 3740: 4132: 4062: 4030: 3657: 4111:(1952), "The spontaneous magnetization of a two-dimensional Ising model", 1438: 2933:{\displaystyle k={\frac {1}{\sinh \left(2K\right)\sinh \left(2L\right)}}} 191: 183: 101:. The model is notable for having nontrivial interactions, yet having an 3218:, from the above expression one finds for the internal energy per site: 1353: 3914: 4010: 3849: 3777:
BRUSH, STEPHEN G. (1967-10-01). "History of the Lenz-Ising Model".
3723: 1437: 1352: 187: 2444:
is chosen in the product. Summing over the configurations, using
3934: 924:{\displaystyle \sinh \left(2L^{*}\right)\sinh \left(2K\right)=1} 849:{\displaystyle \sinh \left(2K^{*}\right)\sinh \left(2L\right)=1} 3983:
Montroll, Elliott W.; Potts, Renfrey B.; Ward, John C. (1963),
2702:
where the sum is over all polygons in the lattice. Since tanh
26: 1670:{\displaystyle T\rightarrow 0,\ \ e^{-K},e^{-L}\rightarrow 0} 1052:, one finds the famous relation for the critical temperature 1009:{\displaystyle \sinh \left(2K\right)\sinh \left(2L\right)=1} 2557: 946:
plane, the duality relation implies that this is given by:
47: 2548: 2538: 2522: 2512: 247: 109:
for the special case that the external magnetic field
3972:. Harvard University Press, Cambridge Massachusetts, 3596: 3570: 3482: 3446: 3227: 3191: 2976: 2953: 2870: 2847: 2821: 2764: 2738: 2715: 2583: 2453: 2407: 2367: 2329: 2293: 2261: 2044: 1906: 1866: 1816: 1686: 1613: 1583:
summing over all polygons in the dual lattice, where
1459: 1420: 1394: 1367: 1287: 1258: 1231: 1203: 1177: 1087: 1058: 1025: 955: 934:
Assuming that there is only one critical line in the
863: 788: 621: 583: 552: 338: 312: 289: 246: 219: 199: 160: 119: 113:= 0. An analytical solution for the general case for 3893:(1925), "Beitrag zur Theorie des Ferromagnetismus", 2323:
horizontal and vertical edges, there are a total of
1388:
as depicted in the diagram. For every configuration
42:
may be too technical for most readers to understand
3837:Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 3711:Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 3615: 3582: 3553: 3465: 3429: 3210: 3174: 2959: 2932: 2853: 2833: 2792: 2750: 2724: 2691: 2563: 2436: 2393: 2345: 2311: 2279: 2244: 2024: 1889: 1844: 1799: 1669: 1572: 1426: 1406: 1380: 1342: 1270: 1244: 1209: 1189: 1155: 1071: 1044: 1008: 923: 848: 768: 604: 565: 530: 318: 295: 272: 232: 205: 166: 131: 273:{\displaystyle \textstyle \beta ={\frac {1}{kT}}} 3951:Itzykson, Claude; Drouffe, Jean-Michel (1989), 3929:Itzykson, Claude; Drouffe, Jean-Michel (1989), 3785:(4). American Physical Society (APS): 883–893. 2758:, this gives the high temperature expansion of 577:relation. Denoting the free energy per site as 3681:Exactly solved models in statistical mechanics 761: 710: 8: 2803:The two expansions can be related using the 2196: 2186: 2135: 2125: 2115: 2109: 1401: 1395: 1265: 1259: 1184: 1178: 489: 479: 437: 427: 403: 397: 3440:and the spontaneous magnetization is, for 2841:is given as follows. Define the parameter 3848: 3722: 3607: 3595: 3569: 3541: 3537: 3505: 3481: 3457: 3445: 3395: 3382: 3348: 3338: 3334: 3329: 3292: 3272: 3226: 3202: 3190: 3126: 3114: 3104: 3040: 3035: 3016: 2989: 2975: 2952: 2877: 2869: 2846: 2820: 2769: 2763: 2737: 2714: 2683: 2673: 2657: 2647: 2616: 2588: 2582: 2547: 2537: 2521: 2511: 2498: 2489: 2484: 2463: 2458: 2452: 2425: 2415: 2406: 2385: 2375: 2366: 2334: 2328: 2292: 2260: 2233: 2223: 2199: 2185: 2172: 2162: 2138: 2124: 2108: 2098: 2049: 2043: 1911: 1905: 1865: 1821: 1815: 1770: 1758: 1747: 1722: 1691: 1685: 1652: 1636: 1612: 1543: 1531: 1520: 1495: 1464: 1458: 1419: 1393: 1372: 1366: 1292: 1286: 1257: 1236: 1230: 1202: 1176: 1134: 1113: 1098: 1088: 1086: 1063: 1057: 1036: 1024: 954: 882: 862: 807: 787: 760: 759: 709: 708: 692: 650: 637: 620: 582: 557: 551: 514: 504: 492: 478: 462: 452: 440: 426: 396: 380: 343: 337: 311: 288: 254: 245: 224: 218: 198: 159: 118: 70:Learn how and when to remove this message 54:, without removing the technical details. 3931:ThĂ©orie statistique des champs, Volume 1 3430:{\displaystyle U=-J\coth(2\beta J)\left} 2437:{\displaystyle w\sigma _{i}\sigma _{j})} 3968:Barry M. McCoy and Tai Tsun Wu (1973), 3632: 2394:{\displaystyle v\sigma _{i}\sigma _{j}} 1810:defines a low temperature expansion of 2815:The free energy per site in the limit 1890:{\displaystyle \sigma \sigma '=\pm 1} 52:make it understandable to non-experts 7: 2751:{\displaystyle T\rightarrow \infty } 1442:Spin configuration on a dual lattice 3819:Statistical mechanics (2nd edition) 1343:{\displaystyle e^{K(N-2s)+L(N-2r)}} 3616:{\displaystyle T\geq T_{\text{c}}} 2828: 2745: 2664: 1755: 1528: 1421: 1369: 1204: 1171:Consider a configuration of spins 161: 25: 3466:{\displaystyle T<T_{\text{c}}} 3687:, London: Academic Press Inc. , 31: 3990:Journal of Mathematical Physics 3970:The Two-Dimensional Ising Model 143:Defining the partition function 88:two-dimensional square lattice 3955:, Cambridge University Press, 3843:(37). IOP Publishing: 375201. 3529: 3517: 3410: 3404: 3379: 3366: 3322: 3313: 3301: 3282: 3258: 3246: 3156: 3147: 3004: 2998: 2825: 2787: 2775: 2742: 2716: 2644: 2622: 2606: 2594: 2431: 2239: 2207: 2178: 2146: 2095: 2073: 2067: 2055: 2016: 2013: 1999: 1981: 1966: 1952: 1839: 1827: 1738: 1726: 1709: 1697: 1661: 1617: 1607:approach infinity, so that as 1511: 1499: 1482: 1470: 1335: 1320: 1311: 1296: 1141: 1125: 599: 587: 386: 349: 1: 3733:10.1088/1751-8113/50/1/014001 3717:(1). IOP Publishing: 014001. 3554:{\displaystyle M=\left^{1/8}} 2725:{\displaystyle \rightarrow 0} 4082:Supplemento al Nuovo Cimento 3640:Onsager, Lars (1944-02-01). 2834:{\displaystyle N\to \infty } 1381:{\displaystyle \Lambda _{D}} 566:{\displaystyle T_{\text{c}}} 190:. Generally, the horizontal 3766:Encyclopedia of Mathematics 1407:{\displaystyle \{\sigma \}} 1271:{\displaystyle \{\sigma \}} 1190:{\displaystyle \{\sigma \}} 4183: 3937:), EDP Sciences Editions, 2793:{\displaystyle Z_{N}(K,L)} 1856:High-temperature expansion 1845:{\displaystyle Z_{N}(K,L)} 213:and the vertical coupling 105:. The model was solved by 18:Square-lattice Ising model 4094:Planar Ising Correlations 3799:10.1103/revmodphys.39.883 3779:Reviews of Modern Physics 2312:{\displaystyle w=\tanh L} 2280:{\displaystyle v=\tanh K} 1595:Low-temperature expansion 1361:Construct a dual lattice 573:can be obtained from the 546:The critical temperature 3867:10.1088/1751-8121/ac0983 1427:{\displaystyle \Lambda } 1210:{\displaystyle \Lambda } 167:{\displaystyle \Lambda } 4162:Exactly solvable models 3211:{\displaystyle J=J^{*}} 3185:For the isotropic case 2805:Kramers–Wannier duality 1045:{\displaystyle J=J^{*}} 1019:For the isotropic case 575:Kramers–Wannier duality 132:{\displaystyle H\neq 0} 4133:10.1103/PhysRev.85.808 4096:. Birkhäuser, Boston, 4080:(1949), "Discussion", 4063:10.1103/PhysRev.65.117 3658:10.1103/PhysRev.65.117 3617: 3584: 3555: 3467: 3431: 3212: 3176: 2961: 2934: 2855: 2835: 2794: 2752: 2726: 2693: 2565: 2438: 2395: 2347: 2346:{\displaystyle 2^{2N}} 2313: 2281: 2246: 2026: 1891: 1846: 1801: 1671: 1574: 1443: 1428: 1408: 1382: 1358: 1344: 1272: 1246: 1211: 1197:on the square lattice 1191: 1157: 1073: 1046: 1010: 925: 850: 770: 606: 605:{\displaystyle F(K,L)} 567: 532: 320: 297: 274: 234: 207: 168: 133: 4157:Statistical mechanics 3618: 3585: 3556: 3468: 3432: 3213: 3177: 2962: 2945:Helmholtz free energy 2935: 2856: 2836: 2795: 2753: 2727: 2694: 2566: 2439: 2396: 2348: 2314: 2282: 2247: 2027: 1892: 1847: 1802: 1672: 1599:At low temperatures, 1575: 1441: 1429: 1409: 1383: 1356: 1345: 1273: 1247: 1245:{\displaystyle Z_{N}} 1212: 1192: 1158: 1074: 1072:{\displaystyle T_{c}} 1047: 1011: 926: 851: 771: 607: 568: 533: 321: 298: 275: 235: 233:{\displaystyle J^{*}} 208: 169: 139:has yet to be found. 134: 84:statistical mechanics 4092:John Palmer (2007), 3594: 3568: 3480: 3444: 3225: 3189: 2974: 2967:can be expressed as 2951: 2868: 2845: 2819: 2762: 2736: 2713: 2581: 2451: 2405: 2365: 2327: 2291: 2259: 2042: 1904: 1864: 1814: 1684: 1611: 1457: 1418: 1392: 1365: 1285: 1256: 1229: 1201: 1175: 1085: 1056: 1023: 953: 861: 786: 619: 581: 550: 542:Critical temperature 336: 310: 287: 282:absolute temperature 244: 240:are not equal. With 217: 197: 158: 117: 4125:1952PhRv...85..808Y 4055:1944PhRv...65..117O 4003:1963JMP.....4..308M 3933:, Savoirs actuels ( 3907:1925ZPhy...31..253I 3859:2021JPhA...54K5201H 3791:1967RvMP...39..883B 3583:{\displaystyle M=0} 3347: 3045: 2494: 180:boundary conditions 178:sites and periodic 103:analytical solution 3915:10.1007/BF02980577 3613: 3580: 3551: 3463: 3427: 3325: 3208: 3172: 3031: 2957: 2930: 2851: 2831: 2790: 2748: 2722: 2689: 2668: 2561: 2556: 2552: 2542: 2526: 2516: 2480: 2479: 2434: 2391: 2343: 2319:. 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Index

Square-lattice Ising model
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statistical mechanics
Ising model
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Ising model
square lattice
boundary conditions
topology
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coupling
absolute temperature
Boltzmann constant
partition function
Kramers–Wannier duality


partition function
Kramers–Wannier duality
Helmholtz free energy
"Crystal Statistics. I. A Two-Dimensional Model with an Order-Disorder Transition"
doi
10.1103/PhysRev.65.117
Baxter, Rodney J.
Exactly solved models in statistical mechanics

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