Orientador: Ricardo Luís Doretto / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-03T02:41:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leite_LeonardoDaSilvaGarcia_M.pdf: 1468749 bytes, checksum: 2f4e22a34c4a72b7b68eec6673285298 (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Nesse trabalho, calculamos a entropia de emaranhamento de um antiferromagneto de Heisenberg dimerizado em uma rede quadrada. Dois padrões de dimerização distintos são considerados: colunar e alternado. Em ambos os casos, focamos na fase de sólidos de singletos (VBS) que é descrita pela representação dos operadores de ligação. Nesse formalismo, o hamiltoniano de spin original é mapeado em um modelo efetivo de bósons interagentes com excitações de tripleto. O hamiltoniano efetivo é estudado na aproximação harmônica e o espectro das excitações elementares e o diagrama de fase dos dois modelos dimerizados são determinados. Consideramos um subsistema unidimensional (cadeia) de comprimento $L$ dentro de uma rede quadrada com condições periódicas de contorno e calculamos a entropia de emaranhamento. Seguimos um procedimento analítico baseado na teoria de ondas de spin modificadas que havia sido desenvolvido originalmente para calcular a entropia de emaranhamento em fases magneticamente ordenadas. Em particular, esse procedimento nos permite considerar subsistemas unidimensionais compostos por até 200 sítios. Combinamos esse procedimento com o formalismo dos operadores de ligação na aproximação harmônica e mostramos que, para os dois modelos de Heisenberg dimerizados, a entropia de emaranhamento da fase VBS obedece uma lei de área. Tanto para a dimerização colunar quanto para a alternada, mostramos que a entropia de emaranhamento aumenta à medida que o sistema se aproxima da transição de fase quântica entre as fases Néel-VBS / Abstract: Nesse trabalho, calculamos a entropia de emaranhamento de um antiferromagneto de Heisenberg dimerizado em uma rede quadrada. Dois padrões de dimerização distintos são considerados: colunar e alternado. Em ambos os casos, focamos na fase de sólidos de singletos (VBS) que é descrita pela representação dos operadores de ligação. Nesse formalismo, o hamiltoniano de spin original é mapeado em um modelo efetivo de bósons interagentes com excitações de tripleto. O hamiltoniano efetivo é estudado na aproximação harmônica e o espectro das excitações elementares e o diagrama de fase dos dois modelos dimerizados são determinados. Consideramos um subsistema unidimensional (cadeia) de comprimento $L$ dentro de uma rede quadrada com condições periódicas de contorno e calculamos a entropia de emaranhamento. Seguimos um procedimento analítico baseado na teoria de ondas de spin modificadas que havia sido desenvolvido originalmente para calcular a entropia de emaranhamento em fases magneticamente ordenadas. Em particular, esse procedimento nos permite considerar subsistemas unidimensionais compostos por até 200 sítios. Combinamos esse procedimento com o formalismo dos operadores de ligação na aproximação harmônica e mostramos que, para os dois modelos de Heisenberg dimerizados, a entropia de emaranhamento da fase VBS obedece uma lei de área. Tanto para a dimerização colunar quanto para a alternada, mostramos que a entropia de emaranhamento aumenta à medida que o sistema se aproxima da transição de fase quântica entre as fases Néel-VBS / Mestrado / Física / Mestre em Física / 1547615/2015 / CAPES

Neste trabalho mostramos que uma grande variedade de modelos exatamente solúveis através do ansatz de Bethe coordenadas podem também ser resolvidos através de um ansatz do produto matricial. Estes modelos são descritos no caso unidimensional por cadeias quânticas, e por matrizes de transferência no caso de sistemas clássicos bi-dimensionais. Diferentemente do ansatz de Bethe, em que as auto-funções do modelo são escritas como uma combinação de ondas planas, no nosso ansatz do produto matricial elas são dadas por produtos de matrizes, onde as matrizes obedecem a uma álgebra associativa apropriada. Estas relações algébricas são obtidas impondo-se que as auto-funções escritas em termos do ansatz satisfaçam à equação de auto-valor do operador Hamiltoniano ou da matriz de transferência. A consistência das relações de comutatividade entre os elementos da álgebra implicam na exata integrabilidade do modelo. Além disso, o ansatz que propomos permite uma formulação simples e unificada para vários Hamiltonianos quânticos exatamente solúveis. Apresentamos nesta tese a formulação do nosso ansatz do produto matricial para uma grande família de redes quânticas, como os modelos anisotrópico de Heisenberg, Fateev-Zamolodchikov, Izergin-Korepin, Sutherland, t-J, Hubbard etc. Mais ainda, formulamos nosso ansatz para processos estocásticos de partículas com tamanhos e classes diferentes difundindo assimetricamente na rede. Por fim, com o objetivo de dar suporte a nossa conjectura de que todos os modelos exatamente solúveis através do ansatz de Bethe coordenadas, associados a Hamiltonianos quânticos unidimensionais ou matrizes de transferência bidimensionais, também podem ser resolvidos através de um ansatz do produto matricial, apresentamos a formulação do nosso ansatz para a matriz de transferência do modelo de seis-vértices com condição de contorno toroidal / In this work we show that a large family of exactly solved models through the coordinate Bethe ansatz can also be solved through a matrix product ansatz. The models are described in the one dimensional case by quantum Hamiltonians, and by transfer matrices in the case of two dimensional classical models. Differently from the Bethe ansatz, where the model\'s eigenfunctions are described by a plane wave combination, in our matrix product ansatz they are given by a matrix product, where the matrices obey a suitable associative algebra. Theses algebraic relations are obtained by imposing that the eigenfunctions described in terms of the ansatz satisfy the eigenvalue equation for the associated Hamiltonian or transfer matrix. The consistency of the commutativity relations among the elements of the algebra implies the exact integrability of the model. Furthermore, the matrix product ansatz we propose allows an unified and simple formulation for the solution of several exact integrable quantum Hamiltonians. We present on this thesis the formulation of our matrix product ansatz for a huge family of quantum chains such as the anisotropic Heisenberg model, Fateev-Zarnolodchikov model, Izergin-Korepin model, Sutherland model, t- J model, Hubbard model, etc. Moreover, we formulated our ansatz for stochastic process of particles with different sizes and classes diffusing asymmetrically on the lattice. Finally, in order to support our conjecture that all exactly solved models through the coordinate Bethe ansatz, associated to unidimensional quantum Hamiltonians or two-dimensional transfer matrices, can also be solved through a matrix product ansatz, we present the formulation of our ansatz, for the transfer matrix of the six-vertex model with toroidal boundary condition

As propriedades do estado fundamental do modelo de Heisenberg antiferroinagnético quântico de spin-1/2 na rede quadrada e na rede cúbica espacialmente anisotrópica são investigadas através de um novo método de Monte Carlo, baseado na estimativa do maior autovalor de uma matriz de elementos não negativos. A energia do estado fundamental e a magnetização \"staggered\" destes sistemas são calculadas em redes relativamente grandes com até 24 x 24 sítios para o caso de redes quadradas e 8 x 8 x 8 sítios para o caso de redes cúbicas. O método desenvolvido também pode ser usado como um novo algoritmo para a determinação direta da entropia de sistemas de spins de Ising através de simulações usuais de Monte Carlo. Usando este método, calculamos a entropia do antiferromagneto de Ising na presença de um campo magnético externo nas redes triangular e cúbica de face centrada. / The ground state properties of the antiferromagnetic quantum Heisenberg model with spin-112 defined on a square lattice and on a cubic lattice with spatial anisotropy are investigated through a new Monte Carlo method, based on the estimation of the largest eigenvalue of a matrix with nonnegative elements. The ground state energy and the staggered magnetization of these systems are calculated in relatively large lattices with up to 24 x 24 sites for the square lattices and 8 x 8 x 8 sites for cubic lattices. The method developped can also be used as a new algorithm for the direct determination of the entropy of Ising spin systems through ordinary Monte Car10 simulations. By using this method we calculate the entropy of the Ising antiferromagnetic in the presence of a magnetic field in the triangular and face centered cubic lattices.

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D'un point de vu fondamental, la structure micromagnétique d'un point de Bloch est prédite depuis plus de 50 ans, mais représente cependant une singularité topologique dans le cadre de la théorie du micromagnétisme. Par conséquent, une description purement micromagnétique du point deBloch s'avère difficile. Ce manuscrit décrit les outils mathématiques et un ensemble d'algorithmes permettant de combiner un modèle d'Heisenberg classique avec des simulations micromagnétiques sur la base des éléments finis. A l'aide de ces algorithmes, nous pouvonsrigoureusement étudier les propriétés caractéristiques d'un point de Bloch d'une paroi de domaine de type vortex localisée dans un nanofil cylindrique ferromagnétique. Cette thèse décrit le pinning/depinning des points de Bloch au réseau atomique ainsi que les différents modes depropagation détectables pour des parois de domaine sous l'influence d'un champ magnétique externe, qui peut conduire le système à des vitesses supermagnoniques. / The fundamental micromagnetic structure of Bloch points was predicted by micromagnetic theory more than 50 years ago, but represents a topological singularity within the theory of micromagnetism. This complicates a pure micromagnetic description. This thesis describes thenecessary mathematical background and a set of algorithms to combine a classical atomistic Heisenberg model with micromagnetism on the basis of the finite element method. By means of those algorithms the characteristic properties of Bloch points in vortex domain walls inferromagnetic solid cylindrical nanowires can be studied rigorously. ln addition to the pinning/depinning of Bloch points at the atomistic lattice the thesis reports on the different modes of propagation detectable for vortex domain walls in that system under the influence of an externalmagnetic field, which can drive the system of the domain wall and the Bloch point with supermagnonic velocities.

Neste trabalho mostramos que uma grande variedade de modelos exatamente solúveis através do ansatz de Bethe coordenadas podem também ser resolvidos através de um ansatz do produto matricial. Estes modelos são descritos no caso unidimensional por cadeias quânticas, e por matrizes de transferência no caso de sistemas clássicos bi-dimensionais. Diferentemente do ansatz de Bethe, em que as auto-funções do modelo são escritas como uma combinação de ondas planas, no nosso ansatz do produto matricial elas são dadas por produtos de matrizes, onde as matrizes obedecem a uma álgebra associativa apropriada. Estas relações algébricas são obtidas impondo-se que as auto-funções escritas em termos do ansatz satisfaçam à equação de auto-valor do operador Hamiltoniano ou da matriz de transferência. A consistência das relações de comutatividade entre os elementos da álgebra implicam na exata integrabilidade do modelo. Além disso, o ansatz que propomos permite uma formulação simples e unificada para vários Hamiltonianos quânticos exatamente solúveis. Apresentamos nesta tese a formulação do nosso ansatz do produto matricial para uma grande família de redes quânticas, como os modelos anisotrópico de Heisenberg, Fateev-Zamolodchikov, Izergin-Korepin, Sutherland, t-J, Hubbard etc. Mais ainda, formulamos nosso ansatz para processos estocásticos de partículas com tamanhos e classes diferentes difundindo assimetricamente na rede. Por fim, com o objetivo de dar suporte a nossa conjectura de que todos os modelos exatamente solúveis através do ansatz de Bethe coordenadas, associados a Hamiltonianos quânticos unidimensionais ou matrizes de transferência bidimensionais, também podem ser resolvidos através de um ansatz do produto matricial, apresentamos a formulação do nosso ansatz para a matriz de transferência do modelo de seis-vértices com condição de contorno toroidal / In this work we show that a large family of exactly solved models through the coordinate Bethe ansatz can also be solved through a matrix product ansatz. The models are described in the one dimensional case by quantum Hamiltonians, and by transfer matrices in the case of two dimensional classical models. Differently from the Bethe ansatz, where the model\'s eigenfunctions are described by a plane wave combination, in our matrix product ansatz they are given by a matrix product, where the matrices obey a suitable associative algebra. Theses algebraic relations are obtained by imposing that the eigenfunctions described in terms of the ansatz satisfy the eigenvalue equation for the associated Hamiltonian or transfer matrix. The consistency of the commutativity relations among the elements of the algebra implies the exact integrability of the model. Furthermore, the matrix product ansatz we propose allows an unified and simple formulation for the solution of several exact integrable quantum Hamiltonians. We present on this thesis the formulation of our matrix product ansatz for a huge family of quantum chains such as the anisotropic Heisenberg model, Fateev-Zarnolodchikov model, Izergin-Korepin model, Sutherland model, t- J model, Hubbard model, etc. Moreover, we formulated our ansatz for stochastic process of particles with different sizes and classes diffusing asymmetrically on the lattice. Finally, in order to support our conjecture that all exactly solved models through the coordinate Bethe ansatz, associated to unidimensional quantum Hamiltonians or two-dimensional transfer matrices, can also be solved through a matrix product ansatz, we present the formulation of our ansatz, for the transfer matrix of the six-vertex model with toroidal boundary condition

The magnetic properties of materials are primarily dictated by its ion ordering which occurs by means of electrostatic exchange interaction. Many other factors are also involved such as the lattice geometry, non-magnetic ions, anisotropy, external fields, and so forth. In this work, we investigate the ferromagnetic spin 1=2 Heisenberg model within the mean field approximation as well as in the effective field framework in two distinct structures, namely, the kagome and simple cubic lattices. For the kagome structure, we applied the mean field approximation including Dzyaloshinkii-Moriya (DM) anisotropy and an external field. Then, we worked out its phase diagram on the temperature-interaction manifold and analyzed some fundamental thermodynamics properties such as magnetization and magnetic susceptibility for varying (exchange interaction parameter), anisotropy (DM), and temperature. For the simple cubic lattice, we rely on the effective-field approximation by means of the differential operator technique. In this case, we assumed the external field to follow a trimodal distribution and also added a term that accounts for the bond distribution. We then explored the resulting behavior of the phase diagrams. Our findings provide an accurate description of the magnetic behavior of real systems featuring anisotropy and similar topologies. / O magnetismo exibido pelos materiais tem como um dos requisitos físicos o ordenamento dos seus íons magnéticos que ocorre por meio de uma interação denominada de interação de troca de origem eletrostática. Muitos outros fatores influenciam fortemente no surgimento do magnetismo como a geometria da rede, presença de íons não magnéticos no cristal, presença de anisotropia, fatores externos ao material, como campos aplicados ao mesmo. Neste trabalho, obtivemos propriedades magnéticas do modelo de Heisenberg ferromagnético de spin 1=2 nas aproximações de campo médio, e de campo efetivo via operador diferencial em duas redes distintas: kagomé e cúbica simples. Para a rede tipo kagomé, a aproximação utilizada foi a de campo médio e adicionamos os termos de anisotropia de Dzyaloshinkii-Moriya (DM) e de campo externo. Nessa parte foi analisado o diagrama de fases no plano Temperatura versus interação (DM) e o comportamento das grandezas termodinâmicas como magnetização e susceptibilidade magnética sob a flutuação dos parâmetros (definido como parâmetro de troca), do termo de anisotropia (DM) e da temperatura. Para a rede cúbica simples, a abordagem foi realizada na aproximação de campo efetivo por meio da técnica do operador diferencial. Nesse contexto, adicionamos ao formalismo um termo de distribuição das ligações e uma distribuição trimodal para o campo externo e estudamos os efeitos dessas distribuições nos diagramas de fases temperatura versus campo externo e temperatura versus ligação. Com isso, obtivemos resultados que podemos considerá-los como uma boa estimativa do comportamento magnético de sistemas reais, ao quais possuem os tipos de redes considerados e que estão sob a influência dos parâmetros anisotrópicos e das distribuições consideradas.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-06-08T13:54:44Z No. of bitstreams: 1 evertonluizmartinsdapaixao.pdf: 7260792 bytes, checksum: 8a1a1accd3cfb65d925f1429e761f688 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-06-26T19:03:05Z (GMT) No. of bitstreams: 1 evertonluizmartinsdapaixao.pdf: 7260792 bytes, checksum: 8a1a1accd3cfb65d925f1429e761f688 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-26T19:03:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 evertonluizmartinsdapaixao.pdf: 7260792 bytes, checksum: 8a1a1accd3cfb65d925f1429e761f688 (MD5) Previous issue date: 2013-04-19 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho usamos o método de Monte Carlo Metropolis aplicado em sistemas magnéticos para estudar nanoestruturas como nanodiscos e nanofios de Permalloy. Dividimos em duas partes. Primeiramente, estudou-se o comportamento do núcleo do vórtice rodeado por anéis de impurezas em nanodiscos de permalloy. Variamos o raio e a espessura dos anéis e medimos o limite do campo aplicado para que o núcleo do vórtice passe através destes anéis. Em segundo lugar, temos estudado os estados fundamentais (de menor energia) para nanofios para uma pequena região do espaço de fase. Podemos identificar as configurações de rotação associadas a estes estados. / In this work we have used Monte Carlo Metropolis method applied in magnetic systems to study nanostructures like permalloy nanodisks and nanowires. We divided it in two parts. First, we have studied the behavior of the vortex core surrounded by rings of the impurities in permalloy nanodisks. We have varied the radius and the thickness of the rings and we measure the limit of the applied field for that the vortex core passes through the ring. Second, we have studied the ground states (lowest-energy state) for nanowires to a small region of the phase space. We can identify the spin configurations associated to the these states.

In this PhD thesis, the physics of vacancies in two-dimensional ordered Heisenberg antiferromagnets is investigated. We use semi-classical methods to study the influence of a single vacancy in long-range ordered states, with a focus on non-collinear order. Here, on a classical level, a magnetic distortion is created as the spins readjust in response to the vacancy. We use the non-collinear $120^\\circ$ state on the frustrated triangular lattice as an example, where we determine the impurity contributions to the magnetization and susceptibility. An important discovery is the vacancy moment not being quantized due to non-universal partial screening. The resulting effective moment $m_0 \\ll S$ can be observed as a fractional prefactor to an impurity-induced Curie response $m_0^2/(3k_BT)$ at finite temperature. This is in sharp contrast to collinearly ordered states. Here the moment is always quantized to the bulk spin value, $m_0=S$. Furthermore, we present a detailed analysis of the vacancy-induced distortion cloud. Due to Goldstone modes, it decays algebraically as $r^{-3}$ with distance $r$ to the vacancy. Using leading-order $1/S$-expansion, we determine the quantum corrections to both size and direction of the distorted magnetic moments. Secondly, we study the same problem in the presence of an external magnetic field $h$, both for the square and triangular lattice. For the triangular lattice we use a biquadratic exchange term $K$ to stabilize a unique ground state from a degenerate manifold. The finite-field vacancy moment $m(h)$ is generated by field-dependent screening clouds, as different non-collinear bulk states evolve with increasing field. These distortion clouds decay exponentially on a magnetic length scale $l_h\\propto 1/h$. Most importantly, we find that the magnetic-field linear-response limit $h \\rightarrow 0^+$ is generically singular for $SU(2)$ ordered local-moment antiferromagnets, as the vacancy moment in zero field differs fundamentally from even an infinitesimal but finite field, $m(h \\rightarrow 0^+)\\neq m_0$. Moreover, a part of the screening cloud itself becomes universally singular. Particularly for spin-flop states, this leads to a semi-classical version of perfect screening. We present general arguments to support these claims, as well as microscopic calculations. Another remarkable result is an impurity-induced quantum phase transition for overcompensated vacancies in the $M=1/3$ plateau phase on the triangular lattice with $K<0$. We close our analysis with a discussion about important limits for finite vacancy concentrations, as well as a possible experimental verification of our predictions.

We investigate whether quantum spin rings with nearest-neighbor Heisenberg or Ising exchange interactions can host solitary states. Using complete diagonalization techniques the system is described without classical or semiclassical approximation. In this case definitions used in connection with classical solitons are not applicable, one needs to redefine what solitary objects on a quantum spin system with translational symmetry ought to be. Thus, we start our contribution by defining which quantum states possess solitary character. In addition we discuss useful observables in order to visualize solitary quantum states. Then we demonstrate for various quantum spin rings that solitary quantum states indeed exist, and that they are moving around the spin ring without changing their shape in the course of time.