En física estadística, uno de los mayores desafíos es calcular la función de partición de un sistema de muchos cuerpos interactuantes. La primera aproximación consiste en reducir el problema de muchos cuerpos al problema de un solo cuerpo, esto se logra al considerar las interacciones que afectan a una partícula como un promedio sobre éstas. Puede ser demostrado que esta aproximación es equivalente a tener un sistema donde cada partícula interactúa con todas las otras con la misma intensidad J, estas interacciones son llamadas interacciones de tipo campo medio, de esta manera la función de partición puede ser fácilmente calculada. Sin embargo, en modelos magnéticos la aproximación de campo medio puede afectar la topología de los diagramas de fase que describen las fronteras que separan las diferentes fases magnéticas que pueden existir. Se ha demostrado que los resultados de la aproximación de campo medio son exactos cuando el sistema se encuentra en infinitas dimensiones. A veces pueden surgir fases o tipos de frontera en la aproximación de campo medio que en un determinado modelo no existen debajo de cierta dimensión llamada dimensión crítica superior. En el presente trabajo la física estadística del modelo de Blume Capel con espín 5/2 es estudiada al introducir una competencia entre interacciones ferromagnéticas J de tipo campo medio con interacciones antiferromagnéticas K de corto alcance en una cadena lineal de N espínes. El objetivo de este trabajo es observar cómo la topología de los diagramas de fase evoluciona a partir del comportamiento magnético en campo medio (correspondiente a altas dimensiones), al introducir interacciones antiferromagnéticas de corto alcance estas crean un conflicto entre ferromagnetismo de altas dimensiones con antiferromagnetismo de bajas dimensiones. Los cálculos se han realizado tomando el límite termodinámico (N → ∞). Para el desarrollo de la presente investigación se estudió el caso particular de S = 5/2 basado en el progreso de trabajos anteriores con S = 1 y S = 3/2 y mediante un procedimiento de minimización de energía libre basado en la construcción de un algoritmo en lenguaje C que busca el valor de la magnetización que minimiza la energía libre con la finalidad de conseguir cada punto relevante del diagrama de fase. Por lo tanto, los diagramas de fase fueron obtenidos al encontrar el parámetro de orden correspondiente al equilibrio en el plano T − D para diferentes valores de K, donde T es la temperatura y D la constante de anisotropía del modelo de Blume Capel. En temperatura nula, el diagrama de fase fue hecho en plano D versus K minimizando la energía del Hamiltoniano. La magnetización es el parámetro de orden ferromagnético, mientras que el parámetro de orden antiferromagnético es una función de las magnetizaciones de las subredes que se forman. Cabe resaltar que el diagrama de fase a temperatura nula es fundamental para entender los diagramas de fase en temperatura finita. En T = 0, el diagrama se divide esencialmente en dos tipos de fases, fases ferromagnéticas para K/J < 0. 25 y fases antiferromagnéticas para K/J > 0. 25, estas últimas solo existen en T = 0, debido a que son producidas por interacciones unidimensionales. Por otro lado, en temperatura finita, a medida que aumenta el valor de K surgen topologías complejas debido al surgimiento de más fronteras que limitan nuevas fases que van apareciendo de regiones pequeñas en el diagrama a temperatura nula. Para K/J > 0. 25 todo orden magnético desaparece en T > 0, existiendo solo la fase paramagnética. Es importante resaltar que toda frontera de segundo orden desaparece para cierto valor de K = K∗ , tal que K∗/J < 0. 25. Por lo tanto, para K∗/J < K/J < 0. 25, todas las fronteras que limitan las fases ferromagnéticas son de primer orden. Se encontró, además, un comportamiento anómalo de la magnetización para ciertas regiones del diagrama de fases, donde la magnetización aumenta con la temperatura. Los resultados de esta tesis contribuyeron parcialmente al artículo publicado en Phys. Lett. A 382, 3325 (2018), que fue un trabajo en colaboración con otro grupo de investigación. / Tesis

A teoria de redes complexas se consolidou nos últimos anos, graças ao seu potencial como ferramenta versátil no estudo de diversos sistemas discretos. É possível enumerar aplicações em áreas tão distintas como engenharia, sociologia, computação, linguística e biologia. Tem merecido atenção, por exemplo, o estudo da organização estrutural do cérebro, tanto em nível microscópico (em nível de neurônios) como regional (regiões corticais). Acredita-se que tal organização visa otimizar a dinâmica, favorecendo processos como sincronização e processamento paralelo. Estrutura e funcionamento, portanto, estão relacionados. Tal relação é abordada pela teoria de redes complexas nos mais diversos sistemas, sendo possivelmente seu principal objeto de estudo. Neste trabalho exploramos as relações entre aspectos estruturais de redes neuronais e corticais e a atividade nas mesmas. Especificamente, estudamos como a interconectividade entre o córtex e o tálamo pode interferir em estados de ativação do último, considerando-se o sistema tálamo-cortical do gato bem como alguns modelos para geração de rede encontrados na literatura. Também abordamos a relação entre a morfologia individual de neurônios e a conectividade em redes neuronais, e consequentemente o impacto da forma neuronal em dinâmicas atuando sobre tais redes e a eficiência das mesmas no transporte de informação. Como tal eficiência pode ter como consequência a facilitação de processos maléficos às redes, como por exemplo, ataques causados por vírus neurotrópicos, também exploramos possíveis correlações entre características individuais dos elementos que formam as redes complexas e danos causados por processos infecciosos iniciados nos mesmos. / Complex network theory has been consolidated along the last years, owing to its potential as a versatile framework for the study of diverse discrete systems. It is possible to enumerate applications in fields as distinct as Engineering, Sociology, Computing, Linguistics and Biology, to name a few. For instance, the study of the structural organization of the brain at the microscopic level (neurons), as well as at regional level (cortical areas), has deserved attention. It is believed that such organization aims at optimizing the dynamics, supporting processes like synchronization and parallel processing. Structure and functioning are thus interrelated. Such relation has been addressed by complex network theory in diverse systems, possibly being its main subject. In this thesis we explore the relations between structural aspects and the activity in cortical and neuronal networks. Specifically, we study how the interconnectivity between the cortex and thalamus can interfere in activation states of the latter, taking into consideration the thalamocortical system of the cat, along with networks generated through models found in literature. We also address the relation between the individual morphology of the neurons and the connectivity in neuronal networks, and consequently the effect of the neuronal shape on dynamic processes actuating over such networks and on their efficiency on information transport. As such efficiency can consequently facilitate prejudicial processes on the networks, e.g. attacks promoted by neurotropic viruses, we also explore possible correlations between individual characteristics of the elements forming such systems and the damage caused by infectious processes started at these elements.

Dois modelos descrevendo sistemas magnéticos modulados são estudados na presença de um campo magnético. Na primeira parte consideramos um modelo de Ising com interações competitivas numa única direção espacial (modelo ANNNI). A superfície crítica, a linha tricrítica, a estrutura das fases moduladas, e os diagramas de fases são determinados na aproximação de campo médio. O comportamento crítico e tricrítico é analisado através do método de Grupo de Renormalização. Na segunda parte estudamos um modelo adequado à descrição do composto MnP. Cálculos realizados na aproximação de campo médio e através do método de Grupo de Renormalização contribuem para esclarecer os resultados experimentais acerca do ponto de Lifshitz observado neste composto. / Two models describing modulated magnetic systems are studied in the presence of a magnetic field. The first part is dedicated to the study of an Ising model with competing interactions along one of the spatial directions (ANNNI model). The critical surface, the tricritical line, the structure of the modulated phases, and the phase diagrams are determined in the mean field approximation. The critical and the tricritical behaviour is analised by the Renormalization Group method. The second part is concerned with a model suitable for the description of the compound MnP. Calculations carried out in the mean field approximation and through the Renormalization Group method provide a better understanding of the experimental results on the Lifshitz point observed in this compound.

In this thesis we study various properties of the spins models, in particular, Ising and Dyson models. We study the stability of the phase transition of the nearest-neighbor ferromagnetic Ising model when we add a perturbation to the critical external field that becomes weaker far from the root of the Cayley tree. We also study the relation between g-measures and Gibbs measures, showing that the Dyson model at sufficiently low temperature is not a g-measure. Counting contours on trees is also studied, showing the characterization of the trees that have infinite number of contours, and comparisons between various definitions of contours. We also study the measures of the spatial Gibbs random graphs, and their local convergence. / Nesta tese estudamos diversas propriedades dos modelos de spins, em particular, os modelos de Ising e Dyson. Estudamos a estabilidade da transição de fase no modelo de Ising ferromagnético de primeiros vizinhos quando adicionamos uma perturbação no campo externo crítico pela qual se torna mais fraca ao estar distante da raiz da árvore de Cayley. Estudamos a relação entre g-medidas e medidas de Gibbs, mostrando que a medida de Gibbs do modelo de Dyson a temperaturas suficientemente baixas não é uma g-medida. Também estudamos contagem de contornos em árvores, mostramos uma caracterização das árvores que possuem um número infinito de contornos de um tamanho fixo envolvendo um vértice, e comparamos entre diversas definições de contornos. Estudamos também as medidas de grafos aleatórios spatial Gibbs, e suas convergências locais.

Nesta tese apresentamos a abordagem da Mecânica Estatística para o clássico problema de otimização denominado problema da partição numérica (PPN), que é definido como: Dada uma seqüência de N números reais positivos {a1, a2, a3,....aN}, o problema consiste em particioná-los em dois conjuntos complementares, A e Ac, tais que o valor absoluto da diferença da soma dos ais nos dois conjuntos seja minimizada. No caso em que os aj\'s são variáveis aleatórias estatisticamente independentes distribuídas uniformemente no intervalo unitário, este problema NP-completo equivale ao problema de encontrar o estado fundamental de um modelo de Ising antiferromagnético aleatório de alcance infinito. Conseqüentemente, a análise probabilística do PPN pode ser realizada com as ferramentas da Mecânica Estatística de sistemas desordenados. Neste trabalho empregamos a aproximação recozida (annealed) para derivar uma expressão analítica para o limitante inferior do valor médio da diferença para partições tanto com vínculo de cardinalidade quanto sem vínculo para grandes valores de N. Além disso, calculamos analiticamente a fração de estados metaestáveis, isto é, estados que possuem a menor energia mediante todos os vizinhos (estados que diferem pela troca de um único spin). Concluímos a análise da abordagem direta, cujas instâncias . / In this thesis we present a statistical mechanics approach to a classical optimization problem called the number partitioning problem (NPP), which is stated as follows. Given a sequence of N positive real numbers , the number partitioning problem consists of partitioning them into two sets A and its complementary set Ac such that the absolute value of the difference of the sums of aj over the two sets is minimized. In each case in which the aj\'s are statistically independent random variables uniformly distributed in the unit interval, this NP-complete problem is equivalent to the problem of finding the ground state of an infinite range, random antiferromagnetic Ising model. Hence the probabilistic analysis of the NPP can be carried out within the framework of the standard statistical mechanics of disordered systems. In this vein we employ the annealed approximation to derive analytical lower bounds to the average value of the difference for the best-constrained and unconstrained partitions in the large N limit. Furthermore, we calculate analytically the fraction of metastable states, i.e. states that are stable against all single spin flips. We conclude the analysis of the so-called direct approach, in which the instances {ai} are fixed and the partitions are variable, with the analytical study of the linear programming relaxation of this NP-complete integer programming. In the second part of this thesis we propose and explore an inverse approach to the NPP, in which the optimal partitions are fixed and the instances are variable. Specifically, using the replica framework we study analytically the instance space of the number partitioning problem. We show that, regardless of the distribution of the instance entries, there is an upper bound &#945cN to the number of perfect random partitions (i.e. partitions for which that difference is zero). In particular, in the case where the two sets have the same cardinality (balanced partitions) we find &#945c =1/2. Moreover, in the case of unbalanced partitions, we show that perfect random partitions exist only if the difference between the cardinalities of the two sets scales like m N-1/2}.

Dois modelos descrevendo sistemas magnéticos modulados são estudados na presença de um campo magnético. Na primeira parte consideramos um modelo de Ising com interações competitivas numa única direção espacial (modelo ANNNI). A superfície crítica, a linha tricrítica, a estrutura das fases moduladas, e os diagramas de fases são determinados na aproximação de campo médio. O comportamento crítico e tricrítico é analisado através do método de Grupo de Renormalização. Na segunda parte estudamos um modelo adequado à descrição do composto MnP. Cálculos realizados na aproximação de campo médio e através do método de Grupo de Renormalização contribuem para esclarecer os resultados experimentais acerca do ponto de Lifshitz observado neste composto. / Two models describing modulated magnetic systems are studied in the presence of a magnetic field. The first part is dedicated to the study of an Ising model with competing interactions along one of the spatial directions (ANNNI model). The critical surface, the tricritical line, the structure of the modulated phases, and the phase diagrams are determined in the mean field approximation. The critical and the tricritical behaviour is analised by the Renormalization Group method. The second part is concerned with a model suitable for the description of the compound MnP. Calculations carried out in the mean field approximation and through the Renormalization Group method provide a better understanding of the experimental results on the Lifshitz point observed in this compound.

A teoria de redes complexas se consolidou nos últimos anos, graças ao seu potencial como ferramenta versátil no estudo de diversos sistemas discretos. É possível enumerar aplicações em áreas tão distintas como engenharia, sociologia, computação, linguística e biologia. Tem merecido atenção, por exemplo, o estudo da organização estrutural do cérebro, tanto em nível microscópico (em nível de neurônios) como regional (regiões corticais). Acredita-se que tal organização visa otimizar a dinâmica, favorecendo processos como sincronização e processamento paralelo. Estrutura e funcionamento, portanto, estão relacionados. Tal relação é abordada pela teoria de redes complexas nos mais diversos sistemas, sendo possivelmente seu principal objeto de estudo. Neste trabalho exploramos as relações entre aspectos estruturais de redes neuronais e corticais e a atividade nas mesmas. Especificamente, estudamos como a interconectividade entre o córtex e o tálamo pode interferir em estados de ativação do último, considerando-se o sistema tálamo-cortical do gato bem como alguns modelos para geração de rede encontrados na literatura. Também abordamos a relação entre a morfologia individual de neurônios e a conectividade em redes neuronais, e consequentemente o impacto da forma neuronal em dinâmicas atuando sobre tais redes e a eficiência das mesmas no transporte de informação. Como tal eficiência pode ter como consequência a facilitação de processos maléficos às redes, como por exemplo, ataques causados por vírus neurotrópicos, também exploramos possíveis correlações entre características individuais dos elementos que formam as redes complexas e danos causados por processos infecciosos iniciados nos mesmos. / Complex network theory has been consolidated along the last years, owing to its potential as a versatile framework for the study of diverse discrete systems. It is possible to enumerate applications in fields as distinct as Engineering, Sociology, Computing, Linguistics and Biology, to name a few. For instance, the study of the structural organization of the brain at the microscopic level (neurons), as well as at regional level (cortical areas), has deserved attention. It is believed that such organization aims at optimizing the dynamics, supporting processes like synchronization and parallel processing. Structure and functioning are thus interrelated. Such relation has been addressed by complex network theory in diverse systems, possibly being its main subject. In this thesis we explore the relations between structural aspects and the activity in cortical and neuronal networks. Specifically, we study how the interconnectivity between the cortex and thalamus can interfere in activation states of the latter, taking into consideration the thalamocortical system of the cat, along with networks generated through models found in literature. We also address the relation between the individual morphology of the neurons and the connectivity in neuronal networks, and consequently the effect of the neuronal shape on dynamic processes actuating over such networks and on their efficiency on information transport. As such efficiency can consequently facilitate prejudicial processes on the networks, e.g. attacks promoted by neurotropic viruses, we also explore possible correlations between individual characteristics of the elements forming such systems and the damage caused by infectious processes started at these elements.

Orientador: Makoto Yoshida / Resumo: Apresenta-se um estudo das transições de fase de um material ferromagnético representado pelo modelo Blume-Capel. A investigação é realizada através da teoria de campo médio implementada através da aproximação de Bethe-Peierls. Como tarefa preliminar é proposta uma revisão detalhada da aproximação de Weiss para investigação dos fenômenos críticos de sistemas magnéticos. Nesta etapa, tanto o modelo de Ising quanto o modelo Blume-Capel são considerados. Em seguida, uma revisão do modelo de Ising através da aproximação de Bethe-Peierls, tida como mais precisa, também é realizada e de posse da experiência adquirida, o modelo Blume-Capel é detalhadamente investigado. / Abstract: The study of the phase transition of Blume-Capel ferromagnet is carried out by means of Bethe-Peierls approximation. A detailed review of 2D Ising model and the Weiss/Bethe-Peierls mean field theory is presented as the preliminar task. This is followed by a review of Blume-Capel model and finally by the investigations of its critical phenomena in the Bethe-Peierls approximation. / Mestre

Submitted by Leonardo Cavalcante (leo.ocavalcante@gmail.com) on 2018-04-30T14:54:08Z No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 981715 bytes, checksum: 76897646d0930b35e6a38674ac2d9ec2 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-30T14:54:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 981715 bytes, checksum: 76897646d0930b35e6a38674ac2d9ec2 (MD5) Previous issue date: 2017-03-03 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / The spin-1=2 and spin-1 Ising models, as well as the spin-1 Blume-Capel model have been studied in one-, two-, and three-dimensional lattices. A variational method based on Bogoliubov inequality for the free-energy has been employed. The trial Hamiltonians consist of clusters of free spins, pairs of spins, and a combination of free spins and pairs of spins. For the three approximations, the thermodynamic quantities of interest have been calculated, together with the critical transition temperature and the behavior close to the transition, in the latter case in order to compute the corresponding critical exponents. The results have been compared to each other as well with exact results, when available, or results coming from more reliable approximate methods. It has been noted that as more interactions are taken into account in the trial Hamiltonian, better results are obtained for the transition temperature, although the critical exponents are always the mean eld like ones. / Os modelos de Ising de spin-1=2 e spin-1, e o de Blume-Capel de spin-1 foram estudados em redes de uma, duas e três dimensões. Foi empregado o método variacional baseado na desigualdade de Bogoliubov para a energia livre. Os hamiltonianos tentativa utilizados consistem em blocos de spins livres, de pares de spins, e da combinacão de spins livres mais pares de spins. Para as três aproximacões, foram obtidas as quantidades termodinâmicas de interesse, bem como a temperatura crítica e o comportamento perto da transição, neste ultimo caso para se obter os respectivos expoentes críticos. Os resultados foram comparados entre si, bem como com os resultados exatos, quando dispon veis, ou provenientes de outras aproxima c~oes mais elaboradas. Veri ca-se que a medida que se incorpora mais intera c~oes nos hamiltonianos tentativa, melhores resultados s~ao obtidos para a temperatura de transi c~ao, embora os expoentes cr ticos continuem sempre sendo os mesmo de campo médio usual. Palavras-Chave: Modelo de Ising,Blume-Capel,desigualdade de Bogoliubov, campo médio.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:14:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LeonardoMB.pdf: 494253 bytes, checksum: e942f2631cbf177866f92a4c5472b4a6 (MD5) Previous issue date: 2007-10-15 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / The ferromagnetic and antiferromagnetic Ising model on a two dimensional inhomogeneous lattice characterized by two exchange constants (J1 and J2) is investigated. The lattice allows, in a continuous manner, the interpolation between the uniforme square (J2 = 0) and triangular (J2 = J1) lattices. By performing Monte Carlo simulation using the sequential Metropolis algorithm, we calculate the magnetization and the magnetic susceptibility on lattices of differents sizes. Applying the &#64257;nite size scaling method through a data colappse, we obtained the critical temperatures as well as the critical exponents of the model for several values of the parameter &#945; = J2 J1 in the [0, 1] range. The ferromagnetic case shows a linear increasing behavior of the critical temperature Tc for increasing values of &#945;. Inwhich concerns the antiferromagnetic system, we observe a linear (decreasing) behavior of Tc, only for small values of &#945;; in the range [0.6, 1], where frustrations effects are more pronunciated, the critical temperature Tc decays more quickly, possibly in a non-linear way, to the limiting value Tc = 0, cor-responding to the homogeneous fully frustrated antiferromagnetic triangular case. / Investigamos o diagrama de fases do modelo de Ising, com intera??es feromagn?ticas e antiferromagn?ticas, emuma rede bidimensional inomog?nea caracterizada por duas constantes de troca (J1 e J2), a qual permite interpolar cont?nuamente as redes quadrada (J2 = 0) e triangular (J2 = J1) uniformes. Utilizando o m?todo de simula??o de Monte Carlo, atrav?s da din?mica deMetropolis aplicada de forma seq?encial, calculamos a magnetiza??o e a susceptibilidade para redes de diversos tamanhos e aplicando t?cnicas de escalonamento para tamanhos &#64257;nitos obtemos, atrav?s de um colapso de dados, valores para a temperatura cr?tica e expoentes cr?ticos em fun??o do par?metro &#945; = J2 J1, contido no intervalo [0, 1]. No caso ferromagn?tico observamos que a temperatura cr?tica Tc cresce linearmente com &#945; em todo o intervalo de varia??o deste par?metro, enquanto no caso antiferromagn?tico, o comportamento linear (decrescente) de Tc ? observado somente para pequenos valores de &#945;; no intervalo [0.6, 1], onde os efeitos de frustra??o s?o mais pronunciados, a temperatura cr?tica sofre uma redu??o mais signi&#64257;cativa, possivelmente n?o linear, para seu valor limite Tc = 0, que corresponde ? rede triangular homog?nea, antiferromagn?tica, completamente frustrada.