Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / In this thesis we study systems where some form of disorder or non-homogeneity has a significant role at the complexity of the structural building or of the dynamics regulation of the system. First, we study the dynamics of Boolean networks, where the rules to update the state of the nodes are randomly chosen and control the global behavior of the system. At the critical threshold, and near to it, we propose that the transition to the critical regime can be characterized by the divergence of the relaxation time Tr. Based on simple scaling arguments, we show that the cumulative probability distribution of Tr decays as a power-law , with exponent iqual -1, for the annealed model at the critical region. Then, we study a novel method for network decomposition, which we apply to scale-free networks, that have the broad degree distribution as a fundamental feature. This method consists in a simultaneous and iterative remotion of groups of nodes with degree K until there are no more nodes with this degree in the network. Thus, we define new variables that characterize the process of decomposition and we obtain a set of well define exponents and parameters. From the behavior of these variables we can see, through some mathematical manipulations, that our method is self-consistent, serving as a useful tool for the study of the structural features of the network. At last, we study the backbones of the percolation cluster, where we use a network model with layers arranged in a disorderly way to represent some kind of anisotropy resistance to the percolation. Our numerical results indicate a break at the universality class on the fractal dimension and on the mass distribution of the backbones. / Nesta tese estudaremos sistemas onde alguma forma de desordem ou nÃo-homogeneidade tem um importante papel na complexidade da formaÃÃo estrutural ou da regulagem dinÃmica do sistema. Primeiramente estudaremos a dinÃmica das redes Booleanas, onde as regras de atualizaÃÃo escolhidas aleatoriamente controlam o comportamento global do sistema. Na condiÃÃo crÃtica e prÃximo dela, propomos que a transiÃÃo para o regime crÃtico pode ser caracterizado pela divergÃncia do tempo de relaxaÃÃo Tr. Baseados em simples argumentos de escalonamento, mostramos, alÃm de outros resultados, que a probabilidade acumulativa da distribuiÃÃo de Tr decai como uma lei de potÃncia, com o expoente igual a -1, para o modelo annealed na regiÃo crÃtica. Em seguida estudamos um novo mÃtodo de decomposiÃÃo de redes aplicado Ãs redes livres de escalas, onde a ampla distribuiÃÃo de conectividade à um aspecto fundamental. O mÃtodo consiste basicamente na retirada simultÃnea e iterativa de grupos de vÃrtices com um determinado grau K de conectividade atà que nÃo haja mais sÃtios com este mesmo grau de conectividade na rede. Deste modo, definimos algumas variÃveis que caractarizam o processo de decomposiÃÃo e obtemos uma sÃrie de expoentes e parÃmetros bem definidos. A partir do comportamento destas variÃveis pudemos constatar por meio de algumas manipulaÃÃes matemÃticas que nosso mÃtodo à auto-consistente, servindo como Ãtima ferramenta para estudo dos aspectos estruturais de uma rede. Por fim, estudamos os backbones, onde utilizamos um modelo de rede em que a desordem està no arranjo aleatÃrio de camadas fÃceis e difÃceis à percolaÃÃo. Os resultados numÃricos indicam a quebra na classe de universalidade da geometria fractal e da distribuiÃÃo de tamanhos de massa do backbones e tambÃm um comportamento assintÃtico da dimensÃo fractal no limite de grandes valores de massa e/ou anisotropia.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / PadrÃes de invariÃncia de escala, associados à leis de potÃncia, sÃo frequentemente observados na natureza. Alguns exemplos sÃo: flutuaÃÃes em preÃos de itens de bolsa de valores e outros investimentos, alÃm do espectro de energia em sistemas turbulentos. Esses dois sistemas e vÃrios outros que exibem invariÃncia de escala tÃm propriedades em comum: compÃem-se de vÃrios elementos que interagem de forma nÃo linear, estÃo fora do equilÃbrio e exibem auto-organizaÃÃo. InvariÃncia de escala tambÃm à encontrada nas correlaÃÃes observadas no ponto crÃtico de sistemas que apresentam transiÃÃes de fase. O conceito de criticalidade auto-organizada sugere que as propriedades de invariÃncia emergem espontaneamente em sistema complexos. VÃrios modelos exibem propriedades criticamente auto-organizadas, entre eles percolaÃÃo invasiva, pilhas de areia e o modelo de desnÃveis, no entanto, nÃo se sabe ao certo quais os ingredientes necessÃrios para criticalidade emergir. Sabe-se que essa propriedade se manifesta em alguns sistemas difusivos nÃo lineares. Nesse trabalho, introduzimos um potencial confinante em um modelo de difusÃo unidimensional com uma nÃo linearidade singular no coeficiente de difusÃo e analisamos a influÃncia dessa mudanÃa no estado estacionÃrio do sistema. Conseguimos, entÃo, derivar uma equaÃÃo de difusÃo do modelo e obtemos uma soluÃÃo para o perfil de densidade. Nossa soluÃÃo analÃtica concorda perfeitamente com os resultados numÃricos. Fizemos, ainda, um estudo estatÃstico do perfil de avalanches do modelo, e obtemos perfis de avalanche em leis de potÃncia, o que normalmente nÃo à observado em outros sistemas unidimensionais. Analisamos, ainda, como esses perfis variam na medida que se aumenta o confinamento, e usando transformaÃÃes de escala encontramos uma curva universal para os perfis de distribuiÃÃo de tamanhos de avalanche. Nossos resultados demonstram que a aÃÃo do confinamento em um sistema unidimensional pode levar ao surgimento da invariÃncia de escala. / Patterns of scale invariance, associated with power laws, are often found in nature, for instance, in the fluctuations of prices of items in stock markets and in the energy spectrum of turbulent systems. These two systems and many others that exhibit scale invariance present some common properties: they are comprised of several elements that interact in a non-linear way, are not in equilibrium, and exhibit self-organization. Scale invariance is also found in the correlations observed in the critical state of systems that present phase transitions. The concept of self-organized criticality suggests that the properties of invariance spontaneously arise in complex systems. Several models exhibit properties of self-organized critically, including invasion percolation, sand-piles and the trough model, however it is not clear what are the necessary ingredients for criticality to arise. It is known that this property appears in some non-linear diffusive systems. In this work, we introduce a confining potential in a one-dimensional diffusion model with a singular non-linearity on diffusion coefficient, and analyze how this affects in the steady state of the system. We then derive a diffusion equation and obtain a solution for stationary density profile. Our analytical solution is in good agreement with the numerical results. We also present a statistical study of the distribution of avalanches sizes in this model, and obtain profiles following power laws, what is not usually observed in other one-dimensional systems. We also investigated how these profiles vary when the confinement increases, and using finite size scaling we found a universal curve for the distribution of avalanche sizes. Our results show that the action of confinement in a one-dimensional system can yield scale invariance.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Neste trabalho estabeleceremos as definiÃÃes das funÃÃes de Green em mecÃnica estatÃstica e suas propriedades bÃsicas. Estas funÃÃes dependem duplamente do tempo e da temperatura. Isto pode ser observado por meio de suas definiÃÃes, onde aparecem os valores mÃdios dos produtos de operadores. Neste caso a mÃdia à feita sobre o ensemble grÃo-canÃnico. Os operadores envolvidos nestas funÃÃes satisfazem a equaÃÃo de movimento de Heisenberg, o que nos permite descrever as equaÃÃes de evoluÃÃo para as funÃÃes de Green. Por meio da representaÃÃo espectral das funÃÃes de correlaÃÃo temporal, que à feita atravÃs da introduÃÃo de uma transformada de Fourier para mudar o sistema do espaÃo dos tempos para o espaÃo das frequÃncias, podemos obter as representaÃÃes espectrais para as funÃÃes de Green retardada, avanÃada e causal. Por Ãltimo, faremos o uso da funÃÃo de Green retardada para descrever a condutividade elÃtrica de um sistema de elÃtrons submetido a um campo elÃtrico externo dependente de tempo, em outras palavras, descreveremos o tensor de condutividade elÃtrica em termos da funÃÃo de Green retardada e, por Ãltimo, calcularemos a condutividade elÃtrica de um sistema de elÃtrons e fÃnons.