구면 p-스핀 유리 모형(Spherical p-spin glass model)
이 모형의 해밀토니안은 무작위 에너지 모형의 해밀토니안과 같다. 단 한가지 차이는 이 모형에서는 스핀 변수가 −∞부터 ∞까지 실수의 값을 가질 수 있다는 것이다. 여기서도 복제 방법을 사용해서 모형을 분석해보자.
n개의 복제본에 대한 분배함수
무작위 에너지 모형을 참고하면 n개의 복제본에 대한 분배함수는 다음과 같이 쓸 수 있다. ¯Zn=Trσexp[(βJ)24N∑αβp!Np∑i1<⋯<ipσαi1σβi1⋯σαipσβip+βh∑i,aσai] i1,⋯,ip에 대한 합을 다음과 같이 나누어 쓰자. p!∑i1<⋯<ip=∑i1,⋯,ip−p(p−1)2∑i1,i1≠i3,⋯ 이렇게 두고 분배함수를 다시 쓰면 ¯Zn=Trσexp[(βJ)24N∑αβ{1Np(∑iσαiσβi)p−p(p−1)21Np−2(∑iσαiσβi)p−2(∑i(σαiσβi)2)}+βh∑i,aσai] 가 된다. qαβ=N−1∑iσαiσβi로 정의하고, 이를 만족하기 위한 구속조건 1=∫∏α<βdqαβδ(Nqαβ−N∑i=1σαiσβi)=∫∏α<βdqαβ∫+i∞−i∞∏α<βN2πidλαβexp[−12∑α≠βλαβ(Nqαβ−N∑i=1σαiσβi)] 과 스핀에 대한 대각합 Trσ=∫+∞−∞∏i,αdσαi∏αδ(N−N∑i=1(σαi)2)=∫+∞−∞∏i,αdσαi∫+i∞−i∞∏αdλαα4πiexp[−12∑αλαα(Nqαα−N∑i=1(σαi)2)] 을 넣어서 쓰면 분배함수를 ¯Zn=∫∏α<βdqαβ∫+i∞−i∞∏α<βN2πidλαβ∫+i∞−i∞∏αdλαα4πi∫+∞−∞∏i,αdσαi×exp[−N2∑αβλαβqαβ+(βJ)24N∑αβqpαβ−(βJ)28Np(p−1)∑αβqp−2αβ(∑i(σαiσβi)2)+12∑αβλαβ∑iσαiσβi+βh∑i,ασαi] 와 같이 쓸 수 있다.
스핀에 대한 대각합
분배함수 중 스핀 변수와 관련된 부분을 모으면 ∫+∞−∞∏i,αdσαiexp[−(βJ)28Np(p−1)∑αβqp−2αβ(∑i(σαiσβi)2)+12∑αβλαβ∑iσαiσβi+βh∑i,ασαi]=[∫+∞−∞∏αdσαexp[−(βJ)28Np(p−1)∑αβqp−2αβ(σασβ)2+12∑αβλαβσασβ+βh∑ασα]]N 로 쓸 수 있고, βHeff=12∑αβλαβσασβ+βh∑ασα로 두고 위 식을 전개하면 [∫+∞−∞∏αdσαeβHeffexp(−(βJ)28Np(p−1)∑αβqp−2αβ(σασβ)2)]N≈[∫+∞−∞∏αdσαeβHeff(1−(βJ)28Np(p−1)∑αβqp−2αβ(σασβ)2+O(N−2))]N=exp[Nlog{∫+∞−∞∏αdσαeβHeff−(βJ)28Np(p−1)∑αβqp−2αβ∫+∞−∞∏αdσαeβHeff(σασβ)2}]=exp[Nlog(∫+∞−∞∏αdσαeβHeff)+Nlog{1−(βJ)28Np(p−1)∑αβqp−2αβ⟨(σασβ)2⟩}]≈exp[Nlog(∫+∞−∞∏αdσαeβHeff)−N(βJ)28Np(p−1)∑αβqp−2αβ⟨(σασβ)2⟩] 이고, 지수 위의 첫 번째 항은 가우스 적분 ∫∏αdσαexp[−12→σ⋅A⋅→σ+J⋅→σ]=√(2π)ndetΛexp[−12J⋅A−1⋅J] 를 이용해 Ji=βh, A=−˜Λ로 두고 다음과 같이 계산할 수 있다. log(∫+∞−∞∏αdσαeβHeff)=log(∫+∞−∞∏αdσαexp[12∑αβλαβσασβ+βh∑ασα])=n2log(2π)−12logdet(−˜Λ)+(βh)22∑αβ(˜Λ−1)αβ 여기서 (˜Λ)αβ=λαβ이다. 따라서 분배함수는 ¯Zn=∫∏α<βdqαβ∫+i∞−i∞∏α<βN2πidλαβ∫+i∞−i∞∏αdλαα4πie−NG[q,λ] 가 된다. 여기서 G[q,λ]=12∑αβλαβqαβ−(βJ)22∑αβqpαβ−n2log(2π)+(βJ)28Np(p−1)∑αβqp−2αβ⟨(σασβ)2⟩+12logdet(−˜Λ)+(βh)22∑αβ(˜Λ−1)αβ 이다.
λ 적분(작성중)
b=βh, μ=b2p/2.
(˜b2)αβ=b2: n×n 행렬 logdet(−˜Λ−˜b2)=logdet[−˜Λ(I+˜b2⋅˜Λ−1)]=logdet(−˜Λ)+logdet(I+˜b2⋅˜Λ−1)=logdet(−˜Λ)+Trlog(I+˜b2⋅˜Λ−1)≈logdet(−˜Λ)+Tr (˜b2⋅˜Λ−1−(˜b2⋅˜Λ−1)22+O(n3))
극값 조건 ⟨σασβ⟩=qαβ λαβ+b2+(q−1)αβ=O(n)
분배함수 ¯Zn=enS(∞)∫∏α<β√N2πdqαβexp[−NG0[q]−G1[q]+O(N−1)]
G0[q]=−μ2p∑αβqpαβ−b22∑αβqαβ−12logdetq+b44(∑αβqαβ)2 G1[q]=μ4(p−1)∑αβ⟨(σασβ)2⟩qp−2αβ+logdetq
q 적분(작성중)
극값 조건 μqp−1αβ+b2+(q−1)αβ=0α≠β
2차항까지 전개 δ2G0=−μ(p−1)2∑αβqp−2αβ(δqαβ)2+Tr(q−1δq)2+b4(∑αβqαβ)2
Tr(q−1δq)2=Tr(q−1δqq−1δq)=∑α(q−1δqq−1δq)αα=∑αβγϵ(Aδαβ+B)δqβγ(Aδγϵ+B)δqϵα=∑αβγϵ[A2δαβδγϵ+AB(δαβ+δγϵ)+B2]δqβγδqϵα=A2∑αβδq2αβ+2AB∑αβγδαγδγβ+B2(∑αβδqαβ)2 δ2G0=−μ(p−1)2∑αβqp−2αβ(δqαβ)2+A2∑αβδq2αβ+2AB∑αβγδαγδγβ+(B2+b4)(∑αβqαβ)2