Orientadores: Silvio Antonio Sachetto Vitiello, Maurice de Koning / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-16T14:29:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vale_RenatoPessoa_D.pdf: 5594892 bytes, checksum: 6cd9dc97441dc729a416210efb11ec2d (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Neste trabalho apresentamos um estudo feito sobre defeitos em um sólido quântico formado por átomos de 4He. Embora ainda não exista um mecanismo para explicar a fase supersólida deste sistema, ela tem sido frequentemente associada com a presença de desordem no cristal, que pode ocorrer com a existência de algum tipo de defeito. O método do trabalho reversível é aplicado para calcular a concentração de vacâncias e a energia livre de ligação entre estes defeitos pontuais. Inicialmente, esta metodologia é aplicada a um sólido quântico descrito por uma função de onda tipo Jastrow, para em seguida ser aplicada no nosso sistema de interesse. A função de onda sombra é utilizada para modelar o 4He sólido hcp, cujas configurações são amostradas através do método de Monte Carlo utilizando o algoritmo de Metropolis. Além da determinação das concentrações de monovacâncias e divacâncias, nossos resultados indicam que não existe uma tendência de se formar aglomerados deste defeito, que poderia levar a uma separação de fases. Posteriormente, utilizamos o método de Peierls-Nabarro para estudar defeitos lineares do tipo discordâncias. Para isto, determinamos as constantes elásticas do material, sendo esta a primeira estimativa teórica destas propriedades para o hélio sólido. Nosso modelo indica que estes defeitos lineares possuem uma tendência em se separar em pares de discordâncias parciais. Além disso, a resistência intrínseca da rede cristalina desempenha um papel importante na mobilidade destes defeitos. Portanto, um mecanismo para explicar a fase supersólida do 4He, que envolva a presença de discordâncias, deve levar em conta esta resistência / Abstract: In this work we present a study about defects in a quantum solid formed by atoms of 4He. Although there is no mechanism to explain the supersolid phase of this system, it has often been associated with the presence of disorder in the crystal, which can occur with the presence of some type of defect. The reversible work method is applied to calculate the concentration of the vacancies and the binding free energy between these point defects. Initially, this methodology is applied to a quantum solid described by a Jastrow wave function, to then be applied in our system of interest. A shadow wave function is used to model the hcp solid helium, whose con gurations are sampled by the Monte Carlo method using the Metropolis algorithm. Besides the determination of monovacancy and divacancy concentrations, our results indicate that there is not a tendency to form clusters of these defects, which could lead to a phase separation. Subsequently, we used the Peierls-Nabarro method to study linear defects like dislocations. With this purpose, we determined the elastic constants of material, this being the rst theoretical estimates of these properties for solid helium. Our model indicates that these linear defects have a tendency to separate into pairs of partial dislocations. Furthermore, the intrinsic resistance of the crystal lattice plays an important role in the mobility of these defects. Therefore, a mechanism to explain the supersolid phase of helium, which involves the presence of dislocations, should take account of this resistance / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Orientador: Maurice de Koning / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T12:17:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PenaArdila_LuisAldemar_M.pdf: 3312905 bytes, checksum: da0a7b28a57fc4d8a5a1639bdf9f9473 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O método Monte Carlo de integrais de trajetória (PIMC) é um sofisticado método para simular sistemas quânticos de muitos corpos. Em particular, é usado para a simulação de sistemas bosônicos como o 4He. O principal objetivo deste trabalho de Mestrado é aplicar o método PIMC para determinar as constantes elásticas do 4He sólido na sua fase hcp. Estas propriedades são muito importantes por estarem envolvidas num possível novo estado da matéria que foi descoberto no hélio sólido: a fase supersólida. Para realizar este objetivo, empregamos o pacote computacional PIMC++, que é uma implementação do método PIMC na linguagem C++, desenvolvido no grupo do Prof. David Ceperley. Primeiro realizamos testes básicos, calculando a energia total e a capacidade térmica para bósons livres, para as quais existem resultados exatos. Em seguida, consideramos a fase líquida do 4He, determinando propriedades como a energia, a fração de condensado e a densidade superfluida para o 4He líquido abaixo de 4K às condições de pressão de vapor saturado. Além disso, determinamos a função de correlação de pares e o fator de estrutura. Todas as propriedades apresentam boa concordância com dados experimentais. Após estes testes iniciais, determinamos as propriedades elásticas do 4He sólido na sua fase hcp descrito pelo potencial de pares de Aziz. Para realizarmos isso, implementamos o esquema de Parrinello e Rahman para permitir a utilização de células computacionais não-ortorrômbicas no pacote PIMC++. Além disso, desenvolvemos e implementamos a expressão para a observável tensorial tensão na linguagem de integrais de trajetória. Após estes desenvolvimentos técnicos, determinamos as constantes elásticas através de uma série de deformações de extensão/compressão e de cisalhamento, determinando o estado de tensão interno correspondente. Depois, usando a definição em termos da relação linear entre tensão e deformação, calculamos as constantes elásticas. Os resultados obtidos para 3 diferentes densidades e uma temperatura de 1 K demonstram que o modelo de Aziz captura as características fundamentais das propriedades elásticas do 4He na fase hcp / Abstract: The path-integral Monte Carlo (PIMC) method is a sophisticated approach for the simulation of many-body quantum systems. In particular, it has been extensively used for the study of manybody bosonic systems such as 4He. The main objective of the present dissertation is to apply the PIMC method to determine the elastic constants of solid 4He in its hcp phase. These properties are very important in view of their apparent involvement in the phenomenon of supersolidity in solid 4He. To realize this objective we utilize the software package PIMC++, which is an implementation of the PIMC method written in C++, developed in the group of Prof. David Ceperley. First, we carry out a number of basic tests, computing the total energy and heat capacity of an ideal gas of bosons, a system for which analytical results are available. Subsequently, we consider the liquid phase of 4He described by the Aziz pair potential, determining the energy per particle, the condensate fraction and superfluid density below 4 K under conditions of saturated vapor pressure. In addition, we compute the pair correlation function and the structure factor. All properties show good agreement with experimental data. After these preliminary tests, we determine the elastic constants of solid 4He in its hcp phase. To this end we implement the scheme due to Parrinello and Rahman, which allows the use of non-orthorhombic computational cells in PIMC++. In addition, we develop and implement an expression for the stress tensor observable within the path-integral formalism. After these technical developments, we determine the elastic constants by means of a series of tension/compression and shear deformations, measuring the corresponding internal stress states. Next, using the definition in terms of the linear relationship between stress and strain, we compute the elastic constants. The results obtained for 3 different densities at a temperature of 1K demonstrate that the Aziz model captures the fundamental characteristics of the elastic properties of 4He in the hcp phase / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

Orientador: Silvio A. S. Vitiello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T05:46:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Reis_MarceloAugustodos_M.pdf: 11400954 bytes, checksum: da0c111de1e988997b785a1a91546049 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Este trabalho propõe duas funções de onda variacionais baseadas no conceito de partículas sombra e que descrevem a fase sólida dos sistemas formados por átomos de 4He. Uma delas, denominada Função de Onda Sombra Livre e Periódica (PFS) fornece bons resultados para esta fase aferidos pelas suas propriedades, entre elas as energias do sistema e a distribuição radial de pares que se mostraram em bom acordo com outros resultados da literatura. A outra, denominada Função de Onda Sombra Periódica (PS) além de fornecer bons resultados para as propriedades de interesse, se destaca por conseguir descrever a fase supersólida e desse modo predizer uma Condensação de Bose-Einstein na fase sólida. Todos os resultados que obtivemos foram decorrentes de nossas próprias implementações numéricas através do método Monte Carlo Variacional / Abstract: This work proposes two variational wave functions based on the concept of shadow particles that describes the solid phase of systems formed by atoms of 4He. One of them, called Periodic Free Shadow Wave Function (PFS) provides good results for this phase like the energies of the system and the Radial Distribution Function that proved to be in good agreement with other results of the literature. The other, called the Periodic Shadow Wave Function (PS) in addition to providing good results for these properties, describes the supersolid phase and thus predicts a Bose-Einstein Condensation of the solid phase. All the results that have been obtained are due to our own numerical implementations of the Variational Monte Carlo method / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

Orientador: Silvio Antonio Sachetto Vitiello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-19T15:54:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RugelesVargas_ElkinJezzid_M.pdf: 2457986 bytes, checksum: a05f1eaea9e1009565c9c9e1adb72150 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Neste trabalho estudamos o comportamento das energias do 4He sólido a baixas temperaturas para diferentes densidades, utilizando-se os métodos complementares de Difusão Monte Carlo (DMC) para a temperatura de 0 K e Integrais de Trajetória Pelo Método de Monte Carlo (PIMC) para as temperaturas de 1 e 2 K. Como os operadores das energias cinética ^T e potencial Û não comutam, utilizou-se o teorema de Hellman-Feymann no método DMC e propriedades termodinâmicas da energia no método PIMC, para estimar-se a energia cinética e potencial do sistema. Obtivemos resultados com um acordo muito bom com dados experimentais da literatura. O estudo da energia cinética é de interesse em sistemas que obedecem a simetria de Bose-Einstein, onde um decréscimo da energia cinética, abaixo de uma temperatura crítica Tc, pode ser considerado como uma evidência da condensação / Abstract: In this work we have studied the behavior of the energies in solid 4He at low temperatures for different densities, using two complementary methods, of Diffusion Monte Carlo (DMC) method for a temperature of 0 K and Path Integrals by Monte Carlo (PIMC) method at temperatures of 1 and 2 K. Due to the fact that the kinetic ^ T and potential ^U operators do not commute, the Helman-Feyman theorem was used in the DMC method, and thermodynamic properties of the energy in PIMC method, to estimate the kinetic and potential energy of the system. We obtained results in a good agreement with experimental data. The study of the kinetic energy is interesting in systems that obey the Bose-Einstein symmetry, where a decrease in its value, below a critical temperature Tc, can be considered as an evidence of the existence of a condensate / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Silvio Antonio Sachetto Vitiello / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-03T23:25:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 UjevicTonino_Sebastian_D.pdf: 761811 bytes, checksum: 1d46d4e01ba5d44eec5100a03c3b1bd4 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Na primeira parte da tese, os efeitos das contribuições interatômicas de três corpos na equação de estado do 4 He são investigadas. Um potencial recente de dois corpos junto com o potencial de três corpos de Cohen e Murrell são utilizados para descrever o sistema de átomos de hélio. A dispersão de triplo dipolo e as energias de troca são estimadas sujeitas só a incertezas estatísticas. Uma extensão ao método de difusão com Monte Carlo é empregado para calcular diferenças de energias muito pequenas. Os resultados mostram como as contribuições de três corpos afetam a energia do estado fundamental, e as densidades de equilíbrio, solidificação e liquefação. Na investigação dos sistemas de hélio, diversos potenciais ab initio de dois corpos foram propostos na literatura. Nesta segunda parte da tese realizamos uma análise cuidadosa de como estes potenciais descrevem as propriedades do sistemas de 4 He usando a extensão proposta ao método de difusão com Monte Carlo. Esta extensão nos permitiu calcular com grande precisão pequenas diferenças de energia associadas a diferentes potenciais como função da densidade do sistema. Com estes resultados foi possível acompanhar cuidadosamente como a descrição das propriedades do sistema mudam com os potenciais de dois corpos considerados. Da nossa análise identificamos o potencial que em conjunto com interações de três corpos foi capaz de fornecer a melhor descrição dos sistemas de hélio / Abstract: In the first part of the thesis, the effect of three-body interatomic contributions in the equation of state of 4 He are investigated. A recent two-body potential together with the Cohen and Murrell three-body potential are applied to describe the sistem of helium atoms. The triple dipole dispersion and exchange energies are evaluated subjected only to statistical uncertainties. An extension of the diffusion Monte Carlo method is applied in order to compute very small energies differences. The results show how the three-body contributions affects the ground-state energy, the equilibrium, melting and freezing densities. In the investigation of the helium systems several ab initio two-body potentials have been propoused in the literature. In the second part of the thesis, we performed a carefull analysis of how these potentials describe the properties of the 4 He systems by using the proposed extension to the diffusion Monte Carlo Method. This extension have allowed the calculation of small energies differences, due to the different potentials, as a function of the system density with great accuracy. With our results it is possible to carefully follow how properties of the sistem change with the two-body potentials considered. From our analises we identify the potential that together with three-body interactions is able to give the best description of the helium systems / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Maurice de Koning / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-26T09:46:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LandinezBorda_EdgarJosue_D.pdf: 16266231 bytes, checksum: 7240bfb0050d5a5b6df4d1741c7e9f54 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Esta Tese aborda o problema de determinar propriedades mecânicas fundamentais de 4 He solido na fase hcp usando simulação atomística. Tais propriedades têm sido associadas à possível existência de uma fase cristalina superfluida conhecida como super-solidez. Embora experimentos sofisticados investigando propriedades mecânicas do Hélio sólido têm sido realizados, os resultados dependem da dinâmica microscópica que nem sempre é acessível experimentalmente. Desta maneira as interpretações dos experimentos ficam sujeitos a debates. Neste contexto a modelagem atomística é uma ferramenta útil para fornecer informação qualitativa e quantitativa do comportamento atomístico das propriedades mecânicas. Através de Monte Carlo de integrais de trajetória (PIMC) calculamos a resistência ideal de cisalhamento e tensão de Peierls de uma discordância screw para este sólido quântico protótipo. A resistência ideal estabelece um limite teórico superior de comportamento elástico do material. É a máxima tensão que um cristal livre de defeitos pode suportar, sem produzir uma deformação plástica. Os reultados mostram que o limite de resistência ideal é acompanhado pela nucleação homogênea de uma falha de empilhamento. A resistência ideal é anisotrçopica no plano basal, mas esta anísotropia é bem descrita pela lei de Schmid, que é baseida em conceitos clássicos. Além disso, a comparação do valor da resistência ideal com os de um conjunto grande de cristais clássicos mostra que os resultados para 4 H e estão bem descritos pelo modelo Frenkel-Orowan modificado, que também se baiseia em conceitos puramente clássicos. Em relação às propierdades de discordância, investigamos a estrutura do caroço e a tensão de Peierls para a discordância screw no plano basal. Os resultados mostram uma forte tendência de dissociação e uma tensão de Peierls da ordem e 0.4 bar e estão totalmente consistentes com o comportamento em sólidos clássicos. Assim, os resultados da Tese mostram que, mesmo em regimes de temperatura onde a fase líquida é superfluida, o ordenamento cristalino parece suprimir os efeitos quânticos resposáveis pela super-fluidez no líquido. / Abstract: This Thesis addresses a number of issues related to the determination of the fundamental mechanical properties of hcp 4 He. These properties have been linked to the possible existence of a superfluid crystalline phase know as supersolid. While many sophisticated experiments have investigated these properties, their results often require assumptions regarding the underlying processes on the atomic scale which are not accessible experimentally. In this way, the experimental interpretations often remain subject of debate. In this context, atomistic modeling is a useful tool that allows one to obtain both qualitative as well quantitative information about these processes. Using Path-integral Monte Carlo simulations we compute the ideal shear strength (ISS), as well as the structure and mobility parameteres for the screw dislocation for this prototypical quantum solid. The ideal shear strength represents a theoretical upper limit of the elastic response of a crystal, being defined as the maximum stress a defect-free crystal can withstand before deforming plastically. Our resuls show that the ISS limit is accompanied by the homogeneous nucleation of a stacking fault. Furthermore, the ISS on the basal plane is found to be anisotropic, although the anisotropy is well described by Schmid¿s law of resolved shear stress. In addition, comparison of the intrinsic ISS value to values of a large set of classical crystals shows that the results for 4 He are well described by the modified Frenkel-Orowan model, which is also based on purely classical concepts. Considering dislocation properties, we investigate the core structure and Peierls stress for the screw dislocation in the basal plane. The results show a strong dissociation tendency of the core and a Peierls stress of the order of 0.4 bar, consistent with the behavior of classical solids. Accordingly the results of this Thesis show that, even in the temperature regime where the liquid phase is superfluid the crystalline order seems to suppress the quantum effects for the liquid superfluidity / Doutorado / Física / Doutor em Ciências