GeomGeometrization of spin systems using cycle expansions

8/22/2019 GeomGeometrization of spin systems using cycle expansions

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chao-d

yn/9502023

1Ma

r1995

G e o m e t r i z a t i o n o f s p i n s y s t e m s u s i n g c y c l e

e x p a n s i o n s

R o n n i e M a i n i e r i

T h e o r e t i c a l D i v i s i o n , M S B 2 1 3 , L o s A l a m o s N a t i o n a l L a b o r a t o r y ,

L o s A l a m o s , N M 8 7 5 4 5

A b s t r a c t

I t i s s h o w n t h a t a s p i n s y s t e m w i t h l o n g r a n g e i n t e r a c t i o n s c a n b e c o n v e r t e d

i n t o a c h a o t i c d y n a m i c a l s y s t e m t h a t i s d i e r e n t i a b l e a n d l o w - d i m e n s i o n a l . T h e

t h e r m o d y n a m i c l i m i t o f t h e s p i n s y s t e m i s t h e n e q u i v a l e n t t o s t u d y i n g t h e l o n g

t e r m b e h a v i o r o f t h e d y n a m i c a l s y s t e m . C y c l e e x p a n s i o n s o f c h a o t i c s y s t e m s

( e x p a n s i o n o f t h e F r e d h o l m d e t e r m i n a n t ) a r e t h e n u s e d t o s t u d y t h e t h e r m o -

d y n a m i c l i m i t . B y c o n s i d e r i n g t h e s m o o t h d y n a m i c a l s y s t e m , i t i s p o s s i b l e t o

c o n v e r g e t o t h e t h e r m o d y n a m i c l i m i t f a s t e r t h a n w i t h t r a n s f e r m a t r i c e s .

1


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C y c l e e x p a n s i o n s a r e a n e c i e n t m e t h o d t o c o m p u t e t h e p r o p e r t i e s o f e r -

g o d i c s y s t e m s 1 ] . T h e y h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o c h a o t i c d y n a m i c a l

s y s t e m s 1 , 2 ] , s p i n s y s t e m s i n s t a t i s t i c a l m e c h a n i c s 3 , 4 ] , a n d t o t h e s e m i c l a s s i -

c a l q u a n t i z a t i o n o f c h a o t i c s y s t e m s 5 , 6 ] . I n a c y c l e e x p a n s i o n , p e r i o d i c o r b i t s o f

t h e s y s t e m a r e d e n e d a n d e a c h o r b i t i s g i v e n a w e i g h t ( s u c h a s t h e s t a b i l i t y o f

a n o r b i t , o r t h e e n e r g y o f a c o n g u r a t i o n ) . T h e w e i g h t s a r e t h e n c o m b i n e d i n t o

a n e x p a n s i o n t h a t u s e s s h o r t e r o r b i t s t o e s t i m a t e t h e w e i g h t o f l o n g e r o r b i t s .

T h e m o r e o r b i t s a d d e d t o t h e e x p a n s i o n , t h e m o r e a c c u r a t e t h e e s t i m a t e s . T h e

g r e a t a d v a n t a g e o f c y c l e e x p a n s i o n s i s t h a t a n a l y t i c u n d e r s t a n d i n g o f t h e s y s t e m

( o n s y m m e t r i e s , o r o n p a r t l y i n t e g r a b l e r e g i o n s , f o r e x a m p l e ) c a n b e c o m b i n e d

w i t h n u m e r i c a l r e s u l t s i n t o a r a p i d l y c o n v e r g i n g e x p a n s i o n . I n t h e c a s e o f d y -

n a m i c a l s y s t e m s w h a t i s e x p a n d e d i s t h e F r e d h o l m d e t e r m i n a n t o f t h e o p e r a t o r

t h a t d e t e r m i n e s t h e i n v a r i a n t m e a s u r e o f t h e s y s t e m | t h e P e r r o n - F r o b e n i u s

o p e r a t o r . T h i s o p e r a t o r i s d e n e d i n s u c h a w a y t h a t t h e d e t e r m i n a n t h a s n o

s i n g u l a r i t i e s , w h i c h l e a d s t o e x p a n s i o n s t h a t c o n v e r g e f a s t e r t h a n a n y e x p o n e n -

t i a l i n t h e l e n g t h o f t h e l o n g e s t p e r i o d i c o r b i t . F o r s t a t i s t i c a l m e c h a n i c s t h e

t r a n s f e r m a t r i x i s v e r y s i m i l a r t o t h e P e r r o n - F r o b e n i u s o p e r a t o r , b u t i t l e a d s t o

a d e t e r m i n a n t w i t h s i n g u l a r i t i e s . A n d i n q u a n t u m m e c h a n i c s i t i s n o t k n o w n ,

i n g e n e r a l , h o w t o c o n s t r u c t t h e o p e r a t o r e q u i v a l e n t t o t h e P e r r o n - F r o b e n i u s o r

t r a n s f e r m a t r i x ( a l t h o u g h C v i t a n o v i c a n d V a t t a y h a v e s o l v e d t h e s e m i c l a s s i c a l

v e r s i o n o f t h i s p r o b l e m 7 ] ) .

I w o u l d l i k e t o s h o w t h a t i t i s p o s s i b l e t o c o n s t r u c t a F r e d h o l m d e t e r m i -

n a n t f o r s p i n s y s t e m s . I w i l l d o t h i s b y t r a n s f o r m i n g t h e s p i n s y s t e m i n t o a

l o w - d i m e n s i o n a l d y n a m i c a l s y s t e m a n d t h e n c o n s t r u c t i n g i t s F r e d h o l m d e t e r -

m i n a n t . U s i n g t h e k n o w n r e s u l t s o f c h a o t i c s y s t e m s , t h i s m e a n s t h a t e x p a n -

s i o n s f o r t h e r m o d y n a m i c q u a n t i t i e s w i l l c o n v e r g e f a s t e r ( b o t h q u a l i t a t i v e l y a n d

q u a n t i t a t i v e l y ) t h a n t h e e x p o n e n t i a l l y f a s t c o n v e r g e n c e o b t a i n e d u s i n g t r a n s -

f e r m a t r i c e s . T h e r e a r e m a n y a d v a n t a g e s o f c a r r y i n g o u t t h i s p r o c e d u r e f o r a

s p i n s y s t e m : i t a l l o w s t h e u s e o f d i e r e n t i a b l e m e t h o d s , b e f o r e d i c u l t d u e t o

t h e d i s c r e t e n a t u r e o f s p i n s ; a n d i t g i v e s a g e n e r a l f r a m e w o r k i n w h i c h t o c o n -

s t r u c t o t h e r F r e d h o l m d e t e r m i n a n t s , a s t h e r e a r e f e w r e s t r i c t i o n s o n t h e s p i n

i n t e r a c t i o n .

T h e u s e o f m e t h o d s f r o m s t a t i s t i c a l m e c h a n i c s o f s p i n s y s t e m s i n t h e s t u d y o f

d y n a m i c a l s y s t e m s | t h e t h e r m o d y n a m i c f o r m a l i s m | i s n o w w e l l e s t a b l i s h e d .

I t w a s p i o n e e r e d b y S i n a i 8 ] , B o w e n 9 ] , a n d R u e l l e 1 0 ] i n t h e e a r l y s e v e n t i e s

a n d i t h a d i t s g r e a t s u c c e s s i n p h y s i c s a f t e r i t s a p p l i c a t i o n t o t h e F e i g e n b a u m

p e r i o d d o u b l i n g r o u t e t o c h a o s 1 1 , 1 2 ] . I n c o n t r a s t , t h e m e t h o d s o f d y n a m i c a l

s y s t e m s h a v e n o t b e e n u s e d t o s t u d y s p i n s y s t e m s . W i t h t h e g e o m e t r i z a t i o n

o f s p i n s y s t e m s t h i s r e v e r s e r o u t e b e c o m e s p o s s i b l e . A s a r s t a p p l i c a t i o n ,

g e o m e t r i z a t i o n p r o v i d e s a c o u n t e r - e x a m p l e t o t h e b e l i e f t h a t , a s i d e f r o m e x a c t l y

s o l v e d m o d e l s , t h e t h e r m o d y n a m i c l i m i t c a n o n l y b e a p p r o a c h e d e x p o n e n t i a l l y

f a s t .

2


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T h e b a s i c i d e a i n t h e g e o m e t r i z a t i o n o f s p i n s y s t e m s i s n o t t o c o n s i d e r t h e

s h i f t o f s p i n c o n g u r a t i o n s a s t h e d y n a m i c s , b u t i n s t e a d t o c o n s i d e r t h e d y n a m -

i c s o f a f e w o b s e r v a b l e s ( s u c h a s t h e i n t e r a c t i o n e n e r g y o r t h e m a g n e t i z a t i o n ) .

T o e x p l a i n h o w t h i s i s d o n e , I w i l l r e v i e w t h e t r a n s f e r o p e r a t o r ( a g e n e r a l i z a t i o n

o f t h e t r a n s f e r m a t r i x ) w h i c h a c t s o n o b s e r v a b l e s ( f u n c t i o n s o f c o n g u r a t i o n s ) .

T h e n t h e L o p e r a t o r w i l l b e i n t r o d u c e d , s i m i l a r t o t h e t r a n s f e r o p e r a t o r , b u t

a c t i n g i n a m o r e r e s t r i c t e d s p a c e , t h a t o f f u n c t i o n s t h a t d e p e n d o n l y o n t h e

e e c t i v e e l d a t a p o i n t . T h i s d i e r e n c e t u r n s o u t t o b e c r u c i a l . T o s t u d y

t h e s p e c t r u m o f t h e L o p e r a t o r o n e u s e s t h e t e c h n i q u e s o f c y c l e e x p a n s i o n s .

A d i c u l t y i n c o m p u t i n g t h e t r a c e o f L

n

i s s o l v e d b y c o n s i d e r i n g a f u n c t i o n a l

d e r i v a t i v e i n v o l v i n g t h e i n t e r a c t i o n . A s a n e x a m p l e o f t h e a d v a n t a g e s o f u s i n g

t h e L o p e r a t o r , I s h o w t h a t t h e t h e r m o d y n a m i c l i m i t i s a p p r o a c h e d f a s t e r t h a n

a n y e x p o n e n t i a l .

T o g e o m e t r i z e s p i n s y s t e m s , t h e i n t e r a c t i o n s a r e a s s u m e d t o b e t r a n s l a t i o n -

a l l y i n v a r i a n t a n d s m o o t h . T h e s p i n s

k

w i l l o n l y a s s u m e a n i t e n u m b e r o f

v a l u e s . F o r s i m p l i c i t y I w i l l t a k e t h e i n t e r a c t i o n a m o n g t h e s p i n s t o d e p e n d

o n l y o n p a i r w i s e i n t e r a c t i o n s ,

( ) = (

0

1

2

; : : : ) = J

0

0

+

X

n > 0

0

n

J

1

( n ) ( 1 )

a n d t h e p o s s i b l e v a l u e s o f a s p i n

n

t o b e i n

0

= f + - g . F o r t h e o n e -

d i m e n s i o n a l I s i n g m o d e l , J

0

i s t h e e x t e r n a l m a g n e t i c e l d a n d J

1

( n ) = 1 i f n = 1

a n d 0 o t h e r w i s e . F o r a n e x p o n e n t i a l l y d e c a y i n g i n t e r a c t i o n J

1

( n ) = e

n

T h e t r a n s f e r o p e r a t o r T w a s i n t r o d u c e b y K r a m e r s a n d W a n n i e r 1 3 ] t o

s t u d y t h e I s i n g m o d e l o n a s t r i p a n d c o n c o c t e d s o t h a t t h e t r a c e o f i t s n - t h

p o w e r i s t h e p a r t i t i o n f u n c t i o n Z

n

o f s y s t e m w h e n o n e o f i t s d i m e n s i o n s i s n

T h e m e t h o d c a n b e g e n e r a l i z e d t o d e a l w i t h a n y n i t e - r a n g e i n t e r a c t i o n . I f t h e

r a n g e o f t h e i n t e r a c t i o n i s L , t h e n T i s a m a t r i x o f s i z e 2

L

2

L

. T h e l o n g e r

t h e r a n g e , t h e l a r g e r t h e m a t r i x . W h e n t h e r a n g e o f t h e i n t e r a c t i o n i s i n n i t e

t h e m a t r i x d e n i t i o n b e c o m e s c u m b e r s o m e , a n d i t i s s i m p l e r t o d e n e t h e T

o p e r a t o r b y i t s a c t i o n o n a n o b s e r v a b l e g . J u s t a s t h e o b s e r v a b l e s i n q u a n t u m

m e c h a n i c s , g i s a f u n c t i o n t h a t a s s o c i a t e s a n u m b e r t o e v e r y s t a t e ( c o n g u r a t i o n

o f s p i n s ) . T h e e n e r g y d e n s i t y a n d t h e a v e r a g e m a g n e t i z a t i o n a r e e x a m p l e s o f

o b s e r v a b l e s . F r o m t h i s e q u i v a l e n t d e n i t i o n o n e c a n r e c o v e r t h e u s u a l t r a n s f e r

m a t r i x b y m a k i n g a l l q u a n t i t i e s n i t e r a n g e . F o r a s e m i - i n n i t e c o n g u r a t i o n

= f

0

1

; : : : g

T g ( ) = g ( + _ ) e

( + _ )

+ g ( - _ ) e

( _ )

. ( 2 )

B y + _ I m e a n t h e c o n g u r a t i o n o b t a i n e d b y p r e p e n d i n g + t o t h e b e g i n n i n g

o f r e s u l t i n g i n t h e c o n g u r a t i o n f +

0

1

; : : : g . W h e n t h e r a n g e b e c o m e s

i n n i t e , t h e t r T

n

i s i n n i t e a n d t h e r e i s n o l o n g e r a c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e

t r a c e a n d t h e p a r t i t i o n f u n c t i o n f o r a s y s t e m o f s i z e n ( t h i s i s a c a s e w h e r e

3


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m a t r i c e s g i v e t h e w r o n g i n t u i t i o n ) . R u e l l e 1 4 ] g e n e r a l i z e d t h e P e r r o n - F r o b e n i u s

t h e o r e m a n d s h o w e d t h a t e v e n i n t h e c a s e o f i n n i t e r a n g e i n t e r a c t i o n s t h e

l a r g e s t e i g e n v a l u e o f t h e T o p e r a t o r i s r e l a t e d t o t h e f r e e - e n e r g y o f t h e s p i n

s y s t e m a n d t h e c o r r e s p o n d i n g e i g e n v e c t o r i s r e l a t e d t o t h e G i b b s s t a t e . B y

a p p l y i n g T t o t h e c o n s t a n t o b s e r v a b l e u t h a t r e t u r n s 1 f o r a n y c o n g u r a t i o n ,

t h e f r e e e n e r g y f i s c o m p u t e d a s

- f ( ) = l i m

n ! 1

1

n

l n k T

n

u k . ( 3 )

T o c o n s t r u c t a s m o o t h d y n a m i c a l s y s t e m t h a t r e p r o d u c e s t h e p r o p e r t i e s

o f T , o n e u s e s t h e p h a s e s p a c e r e c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e o f P a c k a r d e t a l .

1 5 ] a n d T a k e n s 1 6 ] , a n d i n t r o d u c e s a v e c t o r o f s t a t e o b s e r v a b l e s x ( ) =

f x

1

( ) ; : : : ; x

D

( ) g . T o a v o i d c o m p l i c a t e d n o t a t i o n I w i l l l i m i t t h e d i s c u s s i o n

t o t h e e x a m p l e x ( ) = f x

+

( ) x ( ) g , w i t h x

+

( ) = ( + _ ) a n d x ( ) =

( - _ ) . W e a l s o r e s t r i c t a l l o b s e r v a b l e s t o b e f u n c t i o n s o n l y o f t h e s t a t e

o b s e r v a b l e s f x

k

( ) g . T h a t i s , t h e o n l y a c c e p t e d o b s e r v a b l e s a r e t h o s e g f o r

w h i c h , f o r a l l c o n g u r a t i o n s , t h e r e e x i s t a n a n a l y t i c f u n c t i o n G s u c h t h a t

G ( x

1

( ) ; : : : ; x

D

( ) ) = g ( ) . T h i s a t r s t s e e m s a s e v e r e r e s t r i c t i o n a s i t m a y

e x c l u d e t h e e i g e n v e c t o r c o r r e s p o n d i n g t o t h e G i b b s s t a t e . I t c a n b e c h e c k e d

t h a t t h i s i s n o t t h e c a s e b y u s i n g t h e f o r m u l a g i v e n b y R u e l l e 1 7 ] f o r t h i s

e i g e n v e c t o r . A s i m p l e e x a m p l e w h e r e t h i s f o r m a l i s m c a n b e c a r r i e d o u t i s f o r

t h e i n t e r a c t i o n ( ) w i t h p a i r w i s e e x p o n e n t i a l l y d e c a y i n g p o t e n t i a l J

1

( n ) = a

n

( w i t h a < 1 ) . I n t h i s c a s e ( ) =

P

n > 0

0

n

a

n

a n d t h e s t a t e o b s e r v a b l e s

a r e x

+

( ) =

P

n > 0

+

n

a

n

a n d x ( ) =

P

n > 0

n

a

n

. T h e s e t w o o b s e r v a b l e s

a l w a y s a d d u p t o t h e s a m e c o n s t a n t . I n t h i s c a s e t h e o b s e r v a b l e x

+

g i v e s t h e

e n e r g y o f + s p i n a t t h e o r i g i n , a n d x t h e e n e r g y o f a - s p i n .

A s a n e x a m p l e , a s s u m e t h a t t h e p h a s e s p a c e o f t h e d y n a m i c a l s y s t e m i s

g i v e n b y t h e t w o o b s e r v a b l e s f x

+

( ) x ( ) g = f ( + _ ) ( - _ ) g . I n t e r m s

o f t h e s e o b s e r v a b l e s t h e t r a n s f e r o p e r a t o r c a n b e r e - e x p r e s s e d

T G ( x ( ) ) =

X

= +

G ( x

+

( _ ) x ( _ ) ) e

x

( )

. ( 4 )

I n t h i s e q u a t i o n t h e o n l y r e f e r e n c e t o t h e c o n g u r a t i o n i s w h e n c o m p u t i n g t h e

n e w o b s e r v a b l e v a l u e s x

+

( _ ) a n d x ( _ ) . T h e i t e r a t i o n o f t h e f u n c t i o n

t h a t g i v e s t h e s e v a l u e s i n t e r m s o f x

+

( ) a n d x ( ) i s t h e d y n a m i c a l s y s t e m t h a t

w i l l r e p r o d u c e t h e p r o p e r t i e s o f t h e s p i n s y s t e m . F o r t h e s i m p l e e x p o n e n t i a l l y

d e c a y i n g p o t e n t i a l t h i s i s g i v e n b y t w o m a p s , F

+

a n d F , t h a t g i v e t h e n e w

v a l u e o f t h e o b s e r v a b l e s i n t e r m s o f t h e o l d . T h e m a p F

+

t a k e s f x

+

( ) x

+

( ) g

i n t o f x

+

( + _ ) x ( + _ ) g w h i c h i s f a ( 1 + x

+

) a x g a n d t h e m a p F t a k e s

f x

+

x g i n t o f a x

+

a ( 1 + x ) g . I n a m o r e g e n e r a l c a s e w e h a v e m a p s F

t h a t t a k e

x ( ) ! x ( _ ) , a n d a n e w o p e r a t o r L

L G ( x )

d e f

= T G ( x ( ) ) =

X

= f + g

G ( F

( x ) ) e

x

. ( 5 )

4


5/9

N o t i c e t h a t a l l d e p e n d e n c i e s o n h a v e d i s a p p e a r e d | i f w e k n o w t h e v a l u e o f

t h e s t a t e o b s e r v a b l e s x t h e a c t i o n o f L o n G c a n b e c o m p u t e d .

T h e b a s i c i d e a f o r t h e d y n a m i c s w i l l b e t o c h o o s e t h e m a p s F

s o t h a t o n e

o f t h e s t a t e v a r i a b l e s i s t h e i n t e r a c t i o n e n e r g y . O n e c a n c o n s i d e r t h e t w o m a p s

F

+

a n d F a s t h e i n v e r s e b r a n c h e s o f a m a p f , t h a t i s , f

1

( x ) = f F

+

( x ) F ( x ) g

S t u d y i n g t h e t h e r m o d y n a m i c s o f t h e i n t e r a c t i o n i s e q u i v a l e n t t o s t u d y i n g t h e

l o n g t e r m b e h a v i o r o f t h e o r b i t s o f t h e m a p f , a c h i e v i n g t h e t r a n s f o r m a t i o n o f

t h e s p i n s y s t e m i n t o a d y n a m i c a l s y s t e m .

U n l i k e t h e o r i g i n a l t r a n s f e r o p e r a t o r , t h e L o p e r a t o r | a c t i n g i n t h e s p a c e

o f o b s e r v a b l e s t h a t d e p e n d o n l y o n t h e s t a t e v a r i a b l e s | i s o f t r a c e c l a s s ( i t s

t r a c e i s n i t e ) . T h e n i t e t r a c e g i v e s u s a c h a n c e t o r e l a t e t h e t r a c e o f L

n

t o t h e p a r t i t i o n f u n c t i o n o f s y s t e m o f s i z e n . W e c a n d o b e t t e r . A s m o s t

p r o p e r t i e s o f i n t e r e s t ( t h e r m o d y n a m i c s , f a l l - o o f c o r r e l a t i o n s ) a r e d e t e r m i n e d

d i r e c t l y f r o m i t s s p e c t r u m , w e c a n s t u d y i n s t e a d t h e z e r o s o f t h e F r e d h o l m

d e t e r m i n a n t d e t ( 1 - z L ) b y t h e t e c h n i q u e o f c y c l e e x p a n s i o n s d e v e l o p e d f o r

d y n a m i c a l s y s t e m s 2 ] . A c y c l e e x p a n s i o n c o n s i s t s o f n d i n g a p o w e r s e r i e s

e x p a n s i o n f o r t h e d e t e r m i n a n t b y w r i t i n g d e t ( 1 - z L ) = e x p ( t r l n ( 1 - z L ) ) . T h e

l o g a r i t h m i s e x p a n d e d i n t o a p o w e r s e r i e s a n d o n e i s l e f t w i t h t e r m s o f t h e f o r m

t r L

n

t o e v a l u a t e . F o r e v a l u a t i n g t h e t r a c e , t h e L o p e r a t o r i s e q u i v a l e n t t o

L G ( x ) =

Z

R

d y ( y - f ( x ) ) e

y

G ( y ) ( 6 )

f r o m w h i c h t h e t r a c e c a n b e c o m p u t e d :

t r L

n

=

X

x = f

n

( x )

e

H ( x )

d e t ( 1 - @

x

f

n

( x ) )

( 7 )

w i t h t h e s u m r u n n i n g o v e r a l l t h e x e d p o i n t s o f f

n

( a l l s p i n c o n g u r a t i o n s o f a

g i v e n l e n g t h ) . H e r e f

n

i s f c o m p o s e d w i t h i t s e l f n t i m e s , a n d H ( x ) i s t h e e n e r g y

o f t h e c o n g u r a t i o n a s s o c i a t e d w i t h t h e p o i n t x . I n p r a c t i c e t h e m a p f i s n e v e r

c o n s t r u c t e d a n d t h e e n e r g i e s a r e o b t a i n e d d i r e c t l y f r o m t h e s p i n c o n g u r a t i o n s .

T h e p r o b l e m h a s n o w b e e n r e d u c e d t o a d y n a m i c a l s y s t e m a n d a l l t h e t e c h n i q u e s

a p p l i c a b l e t o t h e s t u d y o f F r e d h o l m d e t e r m i n a n t s o f d y n a m i c a l s y s t e m s c a n b e

u s e d .

T o c o m p u t e t h e v a l u e o f t r L

n

w e m u s t c o m p u t e t h e v a l u e o f @

x

f

n

; t h i s

i n v o l v e s a f u n c t i o n a l d e r i v a t i v e . T o a n y d e g r e e o f a c c u r a c y a n u m b e r x i n t h e

r a n g e o f p o s s i b l e i n t e r a c t i o n e n e r g i e s c a n b e r e p r e s e n t e d b y a n i t e s t r i n g o f

s p i n s a s x = ( +

0

1

; : : : ; - - ; : : : ) . B y c h o o s i n g t h e s e q u e n c e t o h a v e a

l a r g e s e q u e n c e o f s p i n s - , t h e n u m b e r x c a n b e m a d e a s s m a l l a s n e e d e d , s o i n

p a r t i c u l a r w e c a n r e p r e s e n t a s m a l l v a r i a t i o n = ( ) A s x

+

( ) = ( + _ )

i t c a n b e c o m p u t e d b y a p p l y i n g t h e m a p f t o ( ) . F r o m t h e d e n i t i o n o f a

d e r i v a t i v e w e h a v e :

@

x

f ( x ) = l i m

m ! 1

( _

( m )

) - ( )

(

( m )

)

( 8 )

5


6/9

w h e r e

( m )

i s a s e q u e n c e o f s p i n s t r i n g s t h a t m a k e s m a l l e r a n d s m a l l e r . B y

s u b s t i t u t i n g t h e d e n i t i o n o f i n t e r m s o f i t s p a i r w i s e i n t e r a c t i o n J ( n ) = n

s

a

n

a n d t a k i n g t h e l i m i t f o r t h e s e q u e n c e s

( m )

= f + - - ; : : : ;

m + 1

m + 2

; : : : g o n e

o b t a i n s t h e l i m i t i s a i f = 1 1 i f < 1 , a n d 0 i f > 1 . I t d o e s n o t d e p e n d o n

t h e p o s i t i v e v a l u e o f s

T h e m a n i p u l a t i o n s h a v e u p t o n o w a s s u m e d t h a t t h e m a p f i s s m o o t h . I f t h e

d i m e n s i o n D o f t h e e m b e d d i n g s p a c e i s t o o s m a l l , f m a y n o t b e s m o o t h ( D =

1 c a n n o t b e r u l e d o u t ) . D e t e r m i n i n g u n d e r w h i c h c o n d i t i o n s t h e e m b e d d i n g

i s s m o o t h i s a c o m p l i c a t e d q u e s t i o n r e l a t e d t o t h e p r o b l e m o f e m b e d d i n g a n

e r g o d i c s y s t e m s i n t o c l a s s i c a l s y s t e m s 1 8 ] . T h e r e i s n o k n o w n c o m p l e t e s o l u t i o n

t o t h e p r o b l e m , b u t i n t h e c a s e o f s p i n s y s t e m s w i t h p a i r w i s e i n t e r a c t i o n i t i s

p o s s i b l e t o g i v e a r u l e . I f t h e i n t e r a c t i o n i s o f t h e f o r m

( ) =

X

n 1

0

n

X

k

p

k

( n ) a

n

k

( 9 )

w h e r e p

k

a r e p o l y n o m i a l s a n d a

k

< 1 , t h e n f o r 1 o n e c a n c h o o s e a

d y n a m i c a l s y s t e m w i t h d i m e n s i o n D e q u a l t o t h e s u m o f a l l d e g r e e s , t h a t i s

P

d e g ( p

k

) . T h e s t a t e o b s e r v a b l e s t o u s e i n t h i s c a s e a r e x

s k

( ) =

P

+

n

n

s

a

n

k

A n e x a m p l e i s t h e i n t e r a c t i o n J ( n ) = n

2

( 3 = 1 0 )

n

. T h e a c t i o n o f t h e m a p F

+

f o r

t h i s i n t e r a c t i o n i s i l l u s t r a t e d g u r e 1 . P l o t t e d a r e t h e p a i r s f ( + _ ) ( + _ + _

) g . T h e p l o t d o e s n o t r e p r e s e n t a f u n c t i o n , a s t h e r e a r e p o i n t s t h a t h a v e s e v e r a l

i m a g e s . A e x p e r i m e n t a l p o i n t o f v i e w c a n b e t a k e n , a n d t h e p l o t c o n s i d e r e d

a s t h e c h a o t i c a t t r a c t o r f o r a n u n d e t e r m i n e d d y n a m i c a l s y s t e m . I t s h o u l d t h e n

b e a n a l y z e d t o d e t e r m i n e t h e d i m e n s i o n a l i t y o f t h e d y n a m i c a l s y s t e m a n d h o w

m a n y d i m e n s i o n s a r e r e q u i r e d t o e m b e d d e d i t s m o o t h l y ( w h a t i s D f o r t h e v e c t o r

o f s t a t e o b s e r v a b l e s ) . O n l y t h e v a l u e s o f t h e i n t e r a c t i o n t h a t a c t u a l l y o c c u r a s

a v a l u e o f a c o n g u r a t i o n a r e p l o t t e d , a n d i n b e t w e e n t h e p o i n t s o n e i s f r e e t o

c o n n e c t t h e m a s r e q u i r e d f o r t h e s m o o t h n e s s o f t h e m a p F

+

T h e a d d e d s m o o t h n e s s a n d t r a c e c l a s s o f t h e L o p e r a t o r t r a n s l a t e s i n t o f a s t e r

c o n v e r g e n c e t o w a r d s t h e t h e r m o d y n a m i c l i m i t . I f t h e r e c o n s t r u c t e d d y n a m i c s i s

a n a l y t i c , t h e n t h e c o n v e r g e n c e t o w a r d s t h e t h e r m o d y n a m i c l i m i t w i l l b e f a s t e r

t h a n e x p o n e n t i a l 1 9 , 2 0 ] . I w i l l i l l u s t r a t e t h i s w i t h t h e p o l y n o m i a l - e x p o n e n t i a l

i n t e r a c t i o n s ( 9 ) w i t h = 1 ; t h e c o n v e r g e n c e i s f a s t e r t h a n e x p o n e n t i a l i f > 1

T h e c o n v e r g e n c e i s i l l u s t r a t e d i n g u r e 2 f o r t h e i n t e r a c t i o n n

2

e

n

, w h i c h

r e q u i r e s D = 3 . P l o t t e d i n t h e g r a p h t o i l l u s t r a t e t h e t r a n s f e r m a t r i x c o n v e r -

g e n c e a r e t h e n u m b e r o f d e c i m a l d i g i t s t h a t r e m a i n u n c h a n g e d a s t h e r a n g e

o f t h e i n t e r a c t i o n i s i n c r e a s e d . A l s o i n t h e g r a p h a r e t h e n u m b e r o f d e c i m a l

d i g i t s t h a t r e m a i n u n c h a n g e d a s t h e l a r g e s t p o w e r o f t r L

n

c o n s i d e r e d . T h e p l o t

i s e e c t i v e l y a l o g a r i t h m i c p l o t a n d s t r a i g h t l i n e s i n d i c a t e e x p o n e n t i a l l y f a s t

c o n v e r g e n c e . T h e e x p a n s i o n f o r t h e L o p e r a t o r h a s c u r v a t u r e w h i c h i n d i c a t e s

t h a t t h e c o n v e r g e n c e i s f a s t e r t h a n e x p o n e n t i a l . B y t t i n g , o n e c a n v e r i f y t h a t

t h e f r e e e n e r g y i s c o n v e r g i n g t o i t s l i m i t i n g v a l u e a s e x p ( - n

( 4 = 3 )

) . C v i t a n o v i c

6


7/9

0 0.5 10

0.5

1

(+v)

(+v+v)

F i g u r e 1 : T h e s p i n a d d i n g m a p F

+

f o r t h e p o t e n t i a l J ( n ) =

P

n

2

a

n

. T h e a c t i o n

o f t h e m a p t a k e s t h e v a l u e o f t h e i n t e r a c t i o n e n e r g y b e t w e e n + a n d t h e s e m i - i n n i t e

c o n g u r a t i o n f

1

2

3

; : : : g a n d r e t u r n s t h e i n t e r a c t i o n e n e r g y b e t w e e n + a n d t h e

c o n g u r a t i o n f +

1

2

3

; : : : g

1 9 ] h a s e s t i m a t e d t h a t t h e F r e d h o l m d e t e r m i n a n t o f a m a p o n a D d i m e n s i o n a l

s p a c e s h o u l d c o n v e r g e a s e x p ( - n

( 1 + 1 = D )

) , w h i c h i s c o n r m e d b y t h e s e n u m e r i c a l

s i m u l a t i o n s .

T h e g e o m e t r i z a t i o n o f s p i n s y s t e m s s t r e n g t h e n s t h e c o n n e c t i o n b e t w e e n s t a -

t i s t i c a l m e c h a n i c s a n d d y n a m i c a l s y s t e m s . I t a l s o f u r t h e r e s t a b l i s h e s t h e v a l u e

o f t h e F r e d h o l m d e t e r m i n a n t o f t h e L o p e r a t o r a s a p r a c t i c a l c o m p u t a t i o n a l t o o l

w i t h a p p l i c a t i o n s t o c h a o t i c d y n a m i c s , s p i n s y s t e m s , a n d s e m i c l a s s i c a l m e c h a n -

i c s . T h e e x a m p l e a b o v e e m p h a s i z e s t h e h i g h a c c u r a c y t h a t c a n b e o b t a i n e d : b y

c o m p u t i n g t h e s h o r t e s t 1 4 p e r i o d i c o r b i t s o f p e r i o d 5 o r l e s s i t i s p o s s i b l e t o

o b t a i n t h r e e d i g i t a c c u r a c y f o r t h e f r e e e n e r g y . F o r t h e s a m e a c c u r a c y w i t h a

t r a n s f e r m a t r i x o n e h a s t o c o n s i d e r a 2 5 6 2 5 6 m a t r i x . T h i s m a k e t h e m e t h o d

o f c y c l e e x p a n s i o n s f e a s i b l e f o r a n a l y t i c c a l c u l a t i o n s , a n d i t a l s o s h o w s t h a t a

f e w c o n g u r a t i o n s a r e d o m i n a t i n g t h e b e h a v i o r o f t h e s y s t e m .

T h e r e a r e m a n y p o s s i b i l i t i e s f o r d e v e l o p i n g t h e r e s u l t s p r e s e n t e d . T h e c y c l e

e x p a n s i o n c a n b e f a c t o r i z e d 3 ] , t h e a p p r o a c h o f F e i g e n b a u m t o t h e r e n o r m a l i z a -

t i o n g r o u p c a n b e u s e d 2 1 ] , a n d p h a s e t r a n s i t i o n s c a n b e e x p l o r e d a s l i m i t i n g

c a s e w h e r e t h e c o e c i e n t s a

k

g o t o 1 . T h e r e s u l t s a l s o s h o w t h a t t h e r e i s r o o m

f o r i m p r o v e m e n t i n t h e c o n v e r g e n c e o f M o n t e C a r l o s i m u l a t i o n s . R a t h e r t h a n

c a r r y i n g o u t t h e a v e r a g e s i n t h e s p i n s y s t e m s , o n e c a n s t u d y a v e r a g e s o f t h e

d y n a m i c a l s y s t e m w h e r e c o n v e r g e n c e i s f a s t e r .

I w o u l d l i k e t o a c k n o w l e d g e t h e h o s p i t a l i t y o f t h e N i e l s B o h r I n s t i t u t e a n d t h e

D e u t s c h e B u n d e s b a h n w h e r e t h i s w o r k w a s c a r r i e d o u t u n d e r t h e N A T O / N S F

7


8/9

0 5 10 15 20-10

-8

-6

-4

-2

0

size

digits

F i g u r e 2 : N u m b e r o f d i g i t s f o r t h e F r e d h o l m m e t h o d ( ) a n d t h e t r a n s f e r f u n c t i o n

m e t h o d ( ) . T h e s i z e r e f e r s t o t h e l a r g e s t c y c l e c o n s i d e r e d i n t h e F r e d h o l m e x p a n s i o n s ,

a n d t h e t r u n c a t i o n l e n g t h i n t h e c a s e o f t h e t r a n s f e r m a t r i x .

p o s t - d o c t o r a l f e l l o w s h i p R C D - 9 0 5 0 0 9 2 . I t i s a l s o a p l e a s u r e t o a c k n o w l e d g e

d i s c u s s i o n s w i t h F r a n c i s A l e x a n d e r , P r e d r a g C v i t a n o v i c , R o b e r t E c k e , B r o s l

H a s s l a c h e r , a n d J o h n L o w e n s t e i n .

R e f e r e n c e s

1 ] P r e d r a g C v i t a n o v i c . I n v a r i a n t m e a s u r e m e n t s o f s t r a n g e s e t s i n t e r m s o f

c y c l e s . P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s , 6 1 : 2 7 2 9 { 2 7 3 2 , 1 9 8 8 .

2 ] R o b e r t o A r t u s o , E r i c k A u r e l l , a n d P r e d r a g C v i t a n o v i c . R e c y l i n g o f s t r a n g e

s e t s : I . C y c l e e x p a n s i o n s . N o n l i n e a r i t y , 3 : 3 2 5 { 3 5 9 , 1 9 9 0 .

3 ] R o n n i e M a i n i e r i . T h e r m o d y n a m i c z e t a f u n c t i o n s f o r I s i n g m o d e l s w i t h l o n g

r a n g e i n t e r a c t i o n s . P h y s i c a l R e v i e w A , 4 5 : 3 5 8 0 , 1 9 9 2 .

4 ] R . M a i n i e r i . Z e t a f u n c t i o n f o r t h e L y a p u n o v e x p o n e n t o f a p r o d u c t o f

r a n d o m m a t r i c e s . P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s , 6 8 : 1 9 6 5 { 1 9 6 8 , M a r c h 1 9 9 2 .

5 ] P r e d r a g C v i t a n o v i c a n d B r u n o E c k h a r d t . P e r i o d i c - o r b i t q u a n t i z a t i o n o f

c h a o t i c s y s t e m . P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s , 6 3 : 8 2 3 { 8 2 6 , 1 9 8 9 .

6 ] D . W i n t g e n . P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s , 5 8 : 1 5 8 9 , 1 9 8 7 .

7 ] P . C v i t a n o v i c a n d G . V a t t a y . E n t i r e F r e d h o l m d e t e r m i n a n t s f o r e v a l u a t i o n

o f s e m i c l a s s i c a l a n d t h e r m o d y n a m i c a l s p e c t r a . P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s

7 1 : 4 1 3 8 { 4 1 4 1 , 1 9 9 3 .

8


9/9

8 ] Y a . S i n a i . G i b b s m e a s u r e s i n e r g o d i c t h e o r y . R u s s . M a t h . S u r v e y s , 1 6 6 : 2 1 {

6 9 , 1 9 7 2 .

9 ] R . B o w e n . P e r i o d i c p o i n t s a n d m e a s u r e f o r a x i o m - A d i e o m o r p h i s m s .

T r a n s a c t i o n s A m e r . M a t h . S o c . , 1 5 4 : 3 7 7 { 3 9 7 , 1 9 7 1 .

1 0 ] D . R u e l l e . S t a t i s t i c a l m e c h a n i c s o n a c o m p o u n d s e t w i t h Z

a c t i o n s a t i s -

f y i n g e x p a n s i v e n e s s a n d s p e c i c a t i o n . T r a n s a c t i o n s A m e r . M a t h . S o c .

1 8 5 : 2 3 7 { 2 5 1 , 1 9 7 3 .

1 1 ] E . B . V u l , Y a . G . S i n a i , a n d K . M . K h a n i n . F e i g e n b a u m u n i v e r s a l i t y a n d

t h e t h e r m o d y n a m i c f o r m a l i s m . U s p e k h i M a t . N a u k . , 3 9 : 3 { 3 7 , 1 9 8 4 .

1 2 ] M i t c h e l l J . F e i g e n b a u m , M o g e n s H . J e n s e n , a n d I t a m a r P r o c a c c i a . T i m e

o r d e r i n g a n d t h e t h e r m o d y n a m i c s o f s t r a n g e s e t s : T h e o r y a n d e x p e r i m e n t a l

t e s t s . P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s , 5 7 : 1 5 0 3 { 1 5 0 6 , 1 9 8 6 .

1 3 ] H . A . K r a m e r s a n d G . H . W a n n i e r . S t a t i s t i c s o f t h e t w o - d i m e n s i o n a l f e r -

r o m a g n e t . P a r t I . P h y s i c a l R e v i e w , 6 0 : 2 5 2 { 2 6 2 , 1 9 4 1 .

1 4 ] D a v i d R u e l l e . S t a t i s t i c a l m e c h a n i c s o f a o n e - d i m e n s i o n a l l a t t i c e g a s . C o m -

m u n i c a t i o n s o f M a t h e m a t i c a l P h y s i c s , 9 : 2 6 7 { 2 7 8 , 1 9 6 8 .

1 5 ] N . H . P a c k a r d , J . P . C r u t c h e l d , J . D . F a r m e r , a n d R . S . S h a w . G e o m e t r y

f r o m a t i m e s e r i e s . P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s , 4 5 : 7 1 2 { 7 1 6 , 1 9 8 0 .

1 6 ] F l o r i s T a k e n s . D e t e c t i n g s t r a n g e a t t r a c t o r s i n t u r b u l e n c e . I n L e c t u r e N o t e s

i n M a t h e m a t i c s 8 9 8 , p a g e s 3 6 6 { 3 8 1 . S p r i n g e r , B e r l i n , 1 9 8 1 .

1 7 ] D a v i d R u e l l e . T h e r m o d y n a m i c F o r m a l i s m . A d d i s o n - W e s l e y , R e a d i n g ,

1 9 7 8 .

1 8 ] P . W a l t e r s . A n i n t r o d u c t i o n t o e r g o d i c t h e o r y , v o l u m e 7 9 o f G r a d u a t e

T e x t i n M a t h e m a t i c s . S p r i n g e r - V e r l a g , N e w Y o r k , 1 9 8 2 .

1 9 ] P r e d r a g C v i t a n o v i c . P e r i o d i c o r b i t s a s t h e s k e l e t o n o f c l a s s i c a l a n d q u a n t u m

c h a o s . P h y s i c a D , 5 1 : 1 3 8 { 1 5 1 , 1 9 9 1 .

2 0 ] H a n s H . R u g h . T i m e e v o l u t i o n a n d c o r r e l a t i o n s i n c h a o t i c d y n a m i c a l

s y s t e m s . P h D t h e s i s , N e i l s B o h r I n s t i t u t e , 1 9 9 2 .

2 1 ] M . F e i g e n b a u m . T h e u n i v e r s a l m e t r i c p r o p e r t i e s o f n o n - l i n e a r t r a n s f o r m a -

t i o n s . J o u r n a l o f S t a t i s t i c a l P h y s i c s , 1 9 : 6 6 9 , 1 9 7 9 .

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