Orientador: Fernando Luís Barroso da Silva / Banca: Laurent Emmanuel Dardenne / Banca: Marco Antonio Alves da Silva / Banca: José Roberto Ruggiero / Banca: Marcio José Tiera / Resumo: O entendimento da formação de complexos compostos por polieletrólitos e macroíons é fundamental para o estudo de vários processos biológicos e tecnológicos. Neste trabalho foram investigados os aspectos eletrostásticos da complexação, verificando os efeitos da força iônica, da carga macromolecular e do grau de polimerização do políımero na estabilidade do complexo e nas características conformacionais da cadeia. Com o objetivo de obter conclusões gerais para este tipo de sistema, um modelo simplificado foi utilizado. O políımero foi representado por um conjunto de esferas ríıgidas carregadas conectadas por um potencial harmônico, enquanto o macroíıon seguiu um modelo esférico com distribuição de carga homogênea. A interação entre as espécies carregadas foi tratada de acordo com a aproximação de Debye-H¨uckel. Utilizando simulaçãoes Monte Carlo no ensemble canônico, verificou-se que a dissociação do complexo possui características de transição de fase. Condições críticas foram obtidas em concordância com o comportamento observado empiricamente. Resultados da interação de polieletrólitos com proteínas no seu ponto isoelétrico mostraram que a contribuição devido apenas a regulação de carga é suficiente para estabilizar o complexo e pode ser aumentada através de mutações que diminuam a heterogeneidade de carga da proteína. / Abstract: The understanding of macroíon-polielectrolyte complex formation is fundamental for the biological and technological process studies. In this work the electrostatic issues on the complexation were investigated, verifying the effects of ionic strenght, macromolecular charge, and degree of polimerization on the complex stability and the chain conformational features. With the purpose of obtain general conclusions for this system, a simplified model was adopted. The polymer was represented by a set of rigid charged spheres connected by a harmonic potential, and the macroion was represented by a rigid sphere with homogeneous charge distribution. The interaction among macromolecules was described by the Debye-H¨uckel theory. Using Monte Carlo simulations within the canonical ensemble, it was verified that complex dissociation has phase-like transition behaviour. Numerical values for critical conditions were obtained in agreement with the ones experimentally observed. Results of interaction among polyeletrolyte and proteins on their isoelectric point showed that the charge regulation contribuition only is sufficient to make the complex stable. Is is also shown that charge regulation contribution is increased by mutations which promote a lower protein charge density heterogenity. 14 / Doutor

Orientador: Gastão Inácio Krein / Banca: Marcus Benghi Pinto / Banca: Ney Lemke / Banca: Sandra dos Santos Padula / Banca: Yogiro Hama / Resumo: O objetivo da Tese é investigar a aplicabilidade e propor extensões do método do hamiltoniano termodinamicamente equivalente (MHTE) para sistemas de muitos corpos descritos por uma teoria de campos. Historicamente, o MHTE tem sua origem na teoria quântica de muitos corpos para descrever o fenômeno da supercondutividade. O método consiste na observação de que o hamiltoniano de um sistema pode ser diagonalizado exatamente através de uma transformação unitária quando um número finito de momentos transferidos que contribuem para a interação é levado em conta no limite termodinâmico. Essa transformação unitária depende explicitamente de funções de gap que podem ser determinadas através do método variacional de Gibbs. Na presente Tese, extensões do método são feitas visando aplicações em sistemas de muitos corpos em diferentes situações, tais como: transições de fase estáaticas, evolução temporal de parâmetros de ordem descrita por equações dinâmicas estocásticas do tipo Ginzburg-Landau-Langevin (GLL), teorias quânticas de campos escalares relativísticos e teorias de muitos corpos para sistemas fermiônicos não relativísticos. Mostra-se, em particular, que o MHTE é um esquema de aproximação sistemático e controlável que permite incorporar acoplamentos de componentes de Fourier de parâmetros de ordem além do modo zero, da mesma forma que em teorias quânticas relativísticas ou não relativísticas ele incorpora correlações não perturbativas entre as partículas além daquelas levadas em conta pelas tradicionais aproximações de campo médio. Métodos são desenvolvidos para obtermos soluções numéricas explícitas com o objetivo de avaliar a aplicabilidade do MHTE em alguns casos específicos. Particular atenção é dedicada ao controle de divergências de Rayleigh-Jeans nas simulações numéricas de equações de GLL / Abstract: The general objective of the Thesis is to apply the Method of the Thermodynamically Equivalent Hamiltonian (MTEH) to many-body systems described by a field theory. Historically, the MTEH has its origins in the quantum theory of manybody systems to describe the phenomenon of superconductivity. The method is based on the observation that the Hamiltonian of the system can be diagonalized exactly with a unitary transformation when a finite number of transfer momenta of the interaction are taken into account in the thermodynamic limit. This unitary transformation depends explicitly on gap functions that can be determined with the use of the Gibbs variational principle. In the present Thesis, extensions of the method are made envisaging applications in many-body systems in different situations, like: static phase transitions, time evolution of order parameters described by dynamic stochastic Ginzburg-Landau-Langevin equations, relativistic quantum scalar field theories, and many-body theories for nonrelativistic fermionic systems. It is shown that the MTEH is a systematic and controllable approximation scheme that in the theory of phase transitions allows to incorporate Fourier modes of the order parameter beyond the zero mode, in the same way that in the relativistic and nonrelativistic theories it incorporates particle nonperturbative correlations beyond those taken into account by the traditional mean field approximation. Methods are developed to obtain explicit numerical solutions with the aim to assess the applicability of the MTEH in specific situations. Particular attention is devoted to the control of Rayleigh-Jeans ultraviolet divergences in the numerical simulations of Ginzburg-Landau-Langevin equations / Doutor

Orientador: Denis Dalmazi / Banca: Marcelo Batista Hott / Banca: Nelson Augusto Alves / Resumo: Neste trabaho realizamos um estudo detalhado do posicionamento dos zeros de Yang- Lee do modelo de Blume-Emery-Griffiths unidimensional atraves de metodos analiticos e numericos. Em particular, analisamos o efeito de uma rede dinamica (aneis conexos e desconexos) sobre tais zeros. Nossos resultados numericos e um calculo via ponto de sela indicam que estes ultimos tendem aos zeros do modelo definido sobre um anel conexo (condicões periodicas de contorno) no limite termodinâmico. Conjecturamos a existência de uma região no espaço de parâmetros do modelo para a qual os zeros correspondem a campos magneticos puramente imaginarios independentemente da temperatura. Nossos resultados mostram que, ao contrario do que sugere resultados anteriores para o modelo de Blume-Capel, nao ha uma relacao direta entre os mínimos de energia e a posicao dos zeros de Yang-Lee. Para o caso de um anel conexo deduzimos uma equação aproximada para a curva dos zeros de Yang-Lee a partir dos autovalores da matriz de transferencia. Resultados numericos e analíticos mostram que mesmo com alguns acoplamentos antiferromagneticos temos zeros para campos magneticos puramente imaginarios. Por fim, calculamos numericamente a densidade dos zeros proximos a ponta da curva a qual pertencem (singularidade da ponta de Yang-Lee) obtendo atraves de ajustes numericos e relações de escala de tamanho finito uma densidade que diverge na ponta com expoente crítico proximo de -1/2 mesmo quando o campo magnetico nao þe puramente imaginario e a rede þe dinamica. / Abstract: In this work we carry out a detailed study of the position of the Yang-Lee zeros of the one-dimensional Blume-Emery-Griffiths model through analytic and numerical methods. In particular, we analyze the effect of a dynamical lattice (connected and non-connected rings) over such zeros. Our numerical results and a saddle point caulculation indicate that such zeros tend to overlap the zeros of the model defined on one-ring (periodic boundary conditions) in the thermodynamic limit. We conjecture the existence of a region in the parameter space of the model where the zeros correspond to purely imaginary magnetic fields independently of the temperature. Here we show that, contrary to the previous results for the Blume-Capel model, there is no straightforward relationship between the energy minima and zeros position. For the connected ring we deduce the approximate equation for the Yang-Lee zeros curve from the eigenvalues of the transfer matrix. Our numerical and analytic results show that even with some antiferromagnetic couplings we have zeros at purely imaginary magnetic field. Finally, we calculate numerically the density of the zeros close to the edge of the curves (Yang-Lee edge singularity) obtaining, through numerical fits and finite size scaling relations, a density which diverges at the edge with critical exponent approximately -1/2 even when the magnetic field is not purely imaginary and the lattice is dynamic. / Mestre

Orientador: Gastão Inácio Krein / Banca: Marcus Emmanuel Benghi Pinto / Banca: Ricardo D'Elia Matheus / Resumo: Nesta dissertação, propriedades de equilíbrio e não equilíbrio termodinâmico do setor de quarks leves u e d da Cromodinâmica Quântica (QCD) são estudadas empregando o modelo Polyakov- Nambu-Jona-Lasinio(PNJL). O modelo PNJL permite considerar simultaneamente as transições de fase quiral e de desconfinamento à temperatura finita. O grande potencial termodinâmico do modelo foi calculado na aproximação de campo médio. As equações de gap para os parâmetros de ordem que caracterizam essas transições de fase, o condensado de quarks e o loop de Polyakov, foram resolvidas numericamente para diferentes temperaturas e a natureza das transições de fase associadas foi determinada. A seguir,foram obtidas as equações de Ginzburg-Landau-Langevin (GLL) que descrevem a dinâmica temporal dos parâmetros de ordem. As escalas de tempo envolvidas na termalização do condensado de quark e do loop de Polyakov após o sistema ser submetido a um quench de temperatura foram investigadas como função dos parâmetros de Onsager para a QCD. A relevância dos resultados obtidos na presente dissertação para experimentos de colisões de íons pesados a altas energias é dicutida / Abstract: Thermodynamic equilibrium and non-equilibrium properties of the light u and d quarks sector of Quantum Chromodynamics (QCD) are studied with the Polyakov-Nambu-Jona-Lasinio (PNJL) model. The PNJL model allows to take into account simultaneously the chiral and deconfinement transitions at finite temperatures. The gran potential of the model is obtained in the mean field approximation. The gap equations for the order parameters that characterise these transitions, the quark condensate and the Polyakov loop, are solved numerically for different temperatures and the nature of the associated phase transitions is determined. Next, the Ginzburg-Landau-Langevin (GLL) equations that describe the temporal dynamics of the order parameters are obtained. The time scales involved in the thermalization of the quark condensate and Polyakov loop after a temperature quench are investigated as functions of the QCD Onsager parameters available in the literature. The relevance of the results obtained in the present dissertation for experiments of heavy ions collisions at high energies are discussed / Mestre

O entendimento, dos comportamentos coletivos em termos de uma descriçã o microscó pica baseada nas regras de interações locais entre as partículas do sistema é um proposito bem estabelecido da Física Estatística. Parcialmente inspirados no sucesso da ligaçã o entre os comportamentos micro e macroscópicos, os fenô menos coletivos sociais são atualmente estudados em termos de modelos microscó picos de agentes interatuantes. Os dilemas sociais e o enigma evolutivo da cooperação são modelados como jogos. Neste contexto, dois modelos tem atraído mais a atençã o': O Dilema do Prisoneiro para interações entre pares de individuos e os Jogos de Bem Público para interações em grupos. Nesta dissertação estudamos sob que condiçõ es a cooperação pode emergir em um tipo de dinâ mica de dilema social, conhecido como Jogo de Bem Público Opcional (JBPO). Em particular, analisamos o efeito da topologia na emerge ncia e permanência da cooperação neste tipo de dinâ mica. Estudamos as propriedades globais dos JBPO numa rede regular bidimensional, sobre uma rede small-world e uma rede aleató ria. Aqui, os jogadores são colocados nos vértices da rede .e cada um deles adota um dos três estados possíveis (ou estrategias): cooperador (C), desertor (D) ou loner (L). Com o propósito de estudar,o efeito da interação em rede, usamos redes de tipo ,Pnall-wor/d (pequend , mundo) onde a probabilidade p de reconexão define o' grau de desordem. Esta probabilidade p de religaçã o determina o grau de desordem da rede desde uma rede regular, até uma rede aleató ria. Em combinação com o estudo sistemático do parâ metro p, també m é analisado o efeito da variaçã o do parâ metro r, fator de multiplicação do JBPO, no comportamento global do sistema. Através do estudo sistemático de ambos parâ metros, p e r, encontramos que o sistema apresenta duas dinâ micas diferentes: (i) convergência a um estado absorvente, em que todos os agentes terminam no estado de loner e (ii) evoluçã o a um estado de coexistê ncia, no qual' as três estrategias estã o presentes. No estado de coexiste ncia, para alguns valores dos parâ metros p e r, .a dinâ mica do sistema exibe um comportamento oscilató rio cíclico entre as três estraté gias. Finalmente e como principal contribuição deste trabalho, construímos o diagrama de fases no espaço dos parâ metros (p,r) para caracterizar as diferentes fases e o comportaniento coletivo que o sistema mostra. / Understanding the collective behavior in terms of a microscopic description based on the interaction roles among the particles is a well established purpose of the Statistical Physics. Partly ánspired by the success in linking micro and macro behavior, collective social phenomena are being currently studied in terms of interactíng agents. Social dilemmas and the evolutionary conundrum of cooperation are, modeled as games. In this context, two models have attracted most attention: The Prisoper Dilemma for pairwise interactions and The Public Goods Games for group interactions. In this dissertation, we study under which conditions cooperation can emerge in a type of social dilemma dynamics known as Optional Public Good Game (OPGG): In particular, we analyze the role of topOlogy in the emergence and mainfehance of cooperation in this kind, of dynamics. We have studied the global properties onhe OPGG on a . twd-diMensional regular network, on small world networks and random networks. Here, the players are placed at the nodes of the network and each can adopt one of three possible states _(or strategies): cooperator (C), defector (D) or loner (L). In orcler to study the effect of network interactions, we have used small-World type networks where the probability p of reconnection defines the disorder degree. This probability p of rewiring determines the disorder degree of the network from a regular lattice to a random network. In combination with the systematic study of the p parameter, we also analyzed the effect of variation of the r parameter, the multiplication factor of OPGG, on the global behavior of the system. In the coexistence state and for some values of the p and r parameters, the dynamics of the system exhibits a cyclic behavior among the three states. Finally, and as main contribution in this work, we have constructed a phase diagrarn in the parameter space (p,r) in order to characterize the different phases ahd collective behavior displayed by the system.

Modelos exatamente solúveis para gases de férmions e bósons ultrafrios são estudados via o método do ansatz de Bethe termodinâmico. Resultados analíticos e numéricos são obtidos para o gás de Fermi de duas componentes com população de férmions não balanceada no regime atrativo em uma dimensão. Para o modelo de três componentes, soluções numéricas das equações do ansatz de Bethe termodinâmico confirmam que as expressões analíticas para os campos críticos e os diagramas de fases são muito precisas no regime de acoplamente forte. Para o regime de acoplamento fraco, derivamos as expressões analíticas para os campos críticos e os diagramas de fases e encontramos uma concordância muito boa entre os resultados analíticos e numéricos. Também verificamos que a fase triônica ´e suprimida para o regime de acoplamento fraco. Através de um estudo numérico obtivemos os diagramas de fase em regimes intermediários, e mostramos que a transição entre os regimes forte e fraco ocorre de forma suave ao variar o parâmetro de acoplamento. Apresentamos também um estudo detalhado para o gás de bósons com três componentes, obtendo expressões analíticas para quantidades físicas como densidade de partículas, compressibilidade e magnetização. A criticalidade quântica do modelo também foi investigada. / Exactly solvable models of ultracold Fermi and Bose gases are examined via the thermodynamic Bethe Ansatz method. Analytical and numerical results are obtained for the two-component one-dimensional attractive Fermi gas with population imbalance. For the three-component model, numerical solution of the thermodynamic Bethe ansatz equations confirm that the analytical expressions for the critical fields and the resulting phase diagrams at zero temperature are highly accurate in the strong coupling regime. For the weak coupling regime we derive the analytical expressions for the critical fields and the phase diagrams. Interestingly, in the weak regime the trionic phase is supressed. By means of a numerical study we obtain the phase diagrams at intermediate coupling regimes, showing that the crossover from strong to weak regimes occurs smoothly by varying the coupling parameter. We also present a detailed study of the three component Bose gas and obtain analytical expressions for physical quantities, such as the density of particles, compressibility and magnetisation. The quantum criticality of the model is also investigated.

Neste trabalho, apresentamos um estudo do modelo esférico quântico de vidro de spins com interação de troca entre p spins > 2). O modelo quântico é obtido através da quantização canônica do modelo clássico correspondente, introduzindo operadores de momentum canonicamente conjugados aos de spin. Os operadores de momentum aparecem em Um termo de energia cinética dependente de um momento de inércia, que tem o papel do parâmetro de controle do caráter quântico do sistema'. Devido ao espectro contínuo 'assumido para os autovalores de spin, utilizamos a condição esférica média para garantir um valor médio por spin que permanece finito no limite termodinâmico. As constantes de troca, 'consideradas de alcance infinito, são variáveiS aleatórias com distribuição gaussiana de media nula, cuja largura determina o grau de. desordem, como é usual em modelos de vidro de spin.S. As médias configuracionais são feitas' através do método de réplicas. A partir de um conjunto de relações exatas obtidas .para um p genérico, são estudados casos particulares, como p = 2, para comparação com resultados da literatUra, o limite p oo e o caso p 3, estes dois últimos apenas na aproxirnação estática. Sãô calculadas quantidades físicas relevantes em função da temperatura e dos .parâmetros, do modelo, constrUídos diagramas de fases„ e investigada .a estabilidade das soluções obtidas sob a hipótese de simetria de réplicas. O primeiro estágio de quebra de simetria de réplicas é desenvolvido em alguns dos casos estudados. / In Chis work, we present study of the spherical quantum spin-glass model with exchange interactions between p spins (p > 2). The quantum model is obtained by canonical quantization of the corresponding classical model, introducing momentum operators canonically conjugate to the spin ores. The momentum operators appear in a kinetic-energy term depending on a moment of inertia, which plays the role of control parameter of the system's quantum character. Due to the continuous eigenvalue spectrum assurned for the spins, we use the spherical constraint to assure a finite average value per spin in the thermodynamic limit. The exchange constante, taken as infinite in range, are random variables with Gicussian distribution of zero . average, whose width determines the degree of disorder, as usual in spin-glass models. Con- , figurational averages are performed by means of the replica trick. Starting from a ,set of exact equations.derived for a generic p, some particular cases are studies, as p = 2, for comparison with results from the literature, the p oo limit, and the case p =- 3, the dast two only within the static approximation. Relevant physical quantities are evaluated as functions of the temperature and the model parameters, phase diagrams are constructed, and the stability of solutions obtained under the hypothesis of replica syrnrnetry is investigated. The first stage of replica-symmetry breaking is developed for some of the studied cases.

Dissertação(mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Matemática, 2013. / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2013-10-08T12:16:21Z No. of bitstreams: 1 2013_RobertoVilaGabriel.pdf: 3245364 bytes, checksum: b4dd6dc2376cbbe449b55b6bcfd55654 (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2013-10-16T14:03:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2013_RobertoVilaGabriel.pdf: 3245364 bytes, checksum: b4dd6dc2376cbbe449b55b6bcfd55654 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-10-16T14:03:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2013_RobertoVilaGabriel.pdf: 3245364 bytes, checksum: b4dd6dc2376cbbe449b55b6bcfd55654 (MD5) / Este trabalho está baseado no artigo: The self-dual point of the two-dimensional random-cluster model is critical for q ≥ 1, escrito pelos matemáticos Vincent Beffara e Hugo Duminil-Copin publicado no periódico Probability Theory and Related Fields em 2012. Neste trabalho os autores provam uma conjectura bastante antiga sobre o valor do ponto crítico do Modelo de Aglomerados Aleatórios na rede Z2. Eles mostraram que o ponto auto-dual, psd(q) = √q /(1 + √q ); para q ≥ 1 é crítico na rede quadrada. Como uma aplicação deste resultado, eles mostraram também que as funções de conectividade, na fase subcrítica, decaem exponencialmente com respeito à distância entre dois pontos. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT / This work is based on the paper: The self-dual point of the two-dimensional randomcluster model is critical for, q ≥ 1, by Vincent Beffara and Hugo Duminil-Copin, Probability Theory and Related Fields 2012. In this work the authors proved an old conjecture about the critical point of the Random-Cluster Model in the square lattice. They shown that the self dual point, psd(q) = √q /(1 + √q ); for q ≥ 1 is critical on the square lattice. As an application they shown that the connectivity functions, in the subcritical phase, decays exponentially fast with the distance of the points.

Neste trabalho desenvolvemos e exploramos modelos markovianos aplicados a canais iônicos presentes em membranas celulares / In this work we made markovian models for simulate the ionic channels activity in cell membranes

O modelo gaussiano para um ferromagneto em uma rede hipercúbica d-dimensional é apresentado num contexto estático e dinâmico. Sua termodinâmica é investigada calculando diversas grandezas para a faixa de temperatura na qual o modelo é definido (T < T_c). Expoentes críticos e a dimensão crítica são definidos e calculados para o caso ferromagnético com interações de primeiros vizinhos. Dois tipos de dinâmica são inseridos no modelo gaussiano: a dinâmica de Langevin e a de Cahn-Hilliard. São calculadas a função de auto-correlação e a função resposta, que são os observáveis de interesse num enfoque dinâmico. A maneira como esses observáveis se relacionam também é investigada, via teorema de flutuação-dissipação. De maneira mais geral, um eventual comportamento dinâmico, tipo Langevin, é estudado através do formalismo MSR. Sendo a técnica MSR apropriada ao estudo de sistemas com desordem, calculam-se as funções de auto-correlação e resposta de um modelo gaussiano na presença de um campo aleatório (desordem do tipo \"quenching\"). Finalmente, de maneira independente e como um exercício de mecânica estatística, três modelos são apresentados: um modelo de gás de rede com graus de liberdade orientacionais do tipo Ising, o modelo de Potts de q estados e o modelo de Maier-Saupe para um cristal líquido. É mostrado que esses modelos, de certa maneira, estão próximos. Em uma maneira mais explícita, numa versão de campo médio, mostra-se que a energia livre de um modelo de Potts de três estados e uma versão discretizada para o modelo de Maier-Saupe, com restrições às direções do diretor, possuem a mesma energia livre. / The Gaussian model of a ferromagnet on a d-dimensional hipercubic lattice is presented, in the static and dynamic contexts. The thermodynamics of the Gaussian model is investigated evaluating several thermodynamic quantities, in the temperature range of validity of the model (T < T_c). For a ferromagnetic model with first neighbour interactions, the critical dimension and the critical exponents are found. Two kinds of dynamics are applied on the Gaussian model: the Langevin dynamics and the Cahn-Hilliard dynamics. The auto-correlation and the response functions, which are the interesting observables from the dynamical point of view, are calculated. The relation between these two functions is also analyzed, through the fluctuation-dissipation theorem. In a more general way, the Langevin behavior is studied through the MSR formalism, which is useful for systems with disorder. The MSR formalism is applied to find auto-correlation and response functions of a random-field Gaussian model (quenched disorder). Furthermore, as a statistical mechanics exercise, three models are presented: a lattice gas with Ising-like orientational degrees of freedom, the q-state Potts model, and the Maier-Saupe model for the transitions in a nematic liquid crystal. At the mean field level, we show that these three models are similar. In particular, we show that the free energy of the three-state Potts Model is equal of the free energy of a discretized version of the Maier-Saupe model, with restrictions on the directions of the director.