Orientador: Eduardo Miranda / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-10-31T13:24:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HoyosNeto_JoseAbel_D.pdf: 1434769 bytes, checksum: 70acbb99e5c8d9636d4209b0919b56ca (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: O propósito desse trabalho é estudar o papel da desordem em sistemas de spins fortemente interagentes de baixa dimensionalidade. Do ponto de vista teórico, cadeias de spin são extremamente atrativas por apresentarem uma nova física de baixas energias que vem da competição entre o ordenamento magnético e as .utuações quânticas. A introdução de desordem, onipresente no contexto experimental, é um elemento que pode desestabilizar as fases puras dando origem a uma nova física. Essa é a motivação principal do estudo de seu papel. Neste trabalho nós estudamos 4 sistemas de spins antiferromagnéticos desordenados:(i ) as escadas de spins-1/2 dos tipos 2 pernas e zig-zag, (ii ) as cadeias isotrópicas de spins SU(N), (iii ) a cadeia anisotrópica de spins SU(4), e (iv ) revisitamos a cadeia de spins-1/2. O estudo destes sistemas foi realizado aplicando generalizações da técnica do grupo de renormalização no espaço real para desordem forte. No caso do primeiro sistema, nós mostramos que as escadas de spins sempre renormalizam em cadeias de spins muito bem conhecidas. A escada de 2 pernas renormaliza para uma cadeia de spins-1/2 dimerizada antiferromagnética desordenada e, portanto, possui duas fases. Para dimerização forte ou equivalentemente desordem fraca, o sistema se encontra na fase de Haldane onde há um "gap" e a desordem é irrelevante. Para dimerização fraca ou equivalentemente desordem forte, o "gap" de Haldane se fecha e o sistema se encontra numa fase de Griffiths onde as quantidades termodinâmicas são controladas por um expoente não universal denominado expoente dinâmico z . Em contraste, a escada zig-zag renormaliza ou para uma cadeia de spins-1/2 antiferromagnética desordenada ou para uma cadeia de spins com acoplamentos ferro e antiferromagnéticos desordenada. Se a desordem e a frustração são suficientemente fracas, a escada renormaliza para a primeira cadeia, caso contrário esta pertence à mesma classe de universalidade da segunda. Além disso, relacionamos o expoente dinâmico da cadeia de spins com acoplamentos ferro e antiferromagnéticos com a distribuição de ponto fixo desses acoplamentos. Finalmente, através de argumentos simples, consideramos dizimações de acoplamentos correlacionados. Nesse caso, torna-se bem claro que a frustração é responsável pelo surgimento de acoplamentos ferromagnéticos que põem a escada na bacia de atração do ponto fixo das cadeias com acoplamentos ferro e antiferromagnéticos. Com relação à cadeia SU(N), desenvolvemos uma generalização do método do grupo de renormalização para desordem forte para uma cadeia isotrópica antiferromagnética de spins que pertencem à representações irredutíveis totalmente anti-simétricas do grupo SU(N), com N maior ou igual a 2. Conseguimos resolver as equações de fluxo analiticamente e descobrimos que essas cadeias pertencem a uma nova classe de universalidade cujos pontos fixos são de desordem infinita e, por tal motivo, nossos resultados se tornam assintoticamente exatos. Próximo a esses pontos fixos, os expoentes característicos são universais, i. e., independentes da desordem inicial da cadeia, e dependem somente do posto N do grupo de simetria. Devido às similaridades entre as regras de aglomeração de spins quando da dizimação de uma cadeia de spins com acoplamentos ferro e antiferromagnéticos e da dizimação da cadeia isotrópica de spins SU(N) no limite N ® µ , fomos capazes de calcular analiticamente, através de expansões de 1/N , a função correlação da primeira cadeia.Com relação à cadeia de spins SU(4), modificamos a generalização do método de grupo de renormalização para levar em conta a anisotropia dos acoplamentos. Conseguimos determinar o diagrama de fases através de cálculos analíticos e numéricos. Todos os pontos fixos encontrados são universais e de desordem infinita, entretanto, os expoentes característicos dependem de uma maneira não trivial da anisotropia do sistema. Por fim, revisitamos a cadeia de spins-1/2 antiferromagnética. Calculamos a amplitude da função de correlação média e a relacionamos com a amplitude da entropia de emaranhamento da mesma. Além disso, argumentamos em favor da universalidade dessas amplitudes / Abstract: The purpose of this thesis is the study of the role of quenched disorder in low-dimensional strongly interacting quantum spin systems. From the theoretical point of view, spin chains are extremely attractive due to their unconventional behavior that originates in the competition between magnetic ordering and quantum fluctuations. The introduction of disorder, ubiquitous in experimental realizations, is an element that can destabilize the clean phases giving rise to new physical behavior. That is the main motivation of this study. In this thesis, we study 4 random antiferromagnetic spin systems: (i ) the spin-1/2 two-leg and zigzag ladders, (ii ) the isotropic SU(N) spin chains, (iii ) the anisotropic SU(4) spin chain, and (iv ) we also revisit the spin-1/2 chain. For such a task, we use generalizations of the strong disorder real-space renormalization group method. Concerning the first systems, we show that the ladders are always renormalized to well-known spin chains. The two-leg ladder is renormalized to a random dimerized antiferromagnetic spin-1/2 chain, hence exhibiting two phases. For strong dimerization or equivalently weak disorder the system is in the gapful Haldane phase where disorder is irrelevant. Otherwise, the Haldane gap closes and the system is driven into a nonuniversal Griffiths phase, where the thermodynamical quantities are controled by the dynamical exponent z. In contrast, the zigzag ladder is renormalized either to a random antiferromagnetic spin-1/2 chain or to a random spin chain with both ferro- and antiferromagnetic couplings. If the randomness and frustration are sufficiently weak, the ladder is renormalized to the former chain, but otherwise it belongs to the same universality class of the latter one. In addition, we related the dynamical exponent of the ferro- and aniferromagnetic spin chain with its fixed point coupling constant distributions. Moreover, through simple qualitative arguments, we determined the phase diagram of the zigzag ladder with correlated disorder. That calculation clearly showed that frustration is responsible for the appearance of ferromagnetic couplings, which place the system in the basin of attraction of the fixed point of the ferro- and antiferromagnetic spin chains. With respect to theSU(N) spin chain, we developed a generalization of the strong-disorder renormalization group method to the case of an antiferromagnetic isotropic spin chain whose spins belong to the totally antisymmetric irreducible representations of the SU(N) group, with N greater than or equal to 2. We solved the flow equations analytically and found that such chains belong to a new universality class whose fixed point distributions are characterized by infinite disorder, rendering our results asymptotically exact. The characteristic exponents of these fixed points are universal, i. e., independent of the bare disorder, and depend only on the symmetry group rank. Due to the similarities of the spin clustering rules between the ferro- and antiferromagnetic spin chain and the isotropic SU(N) spin chain in the limit of N ® µ, we were able to analytically calcu- late, through a 1/N expansion, the mean correlation function of the former chain. In the case of the SU(4) spin chain, we modified the generalization of the renormalization group method to take into account the coupling anisotropy. We determined the phase diagram through analytical and numerical calculations. All fixed points found are universal and of infinite-randomness type. However, the characteristic exponents depend in a nontrivial fashion on the anisotropy. Finally, we revisited the antiferromagnetic spin-1/2 chain. We calculated the amplitude of the mean correlation function and related it with the amplitude of the entanglement entropy of the chain. In addition, we gave arguments in favor of the universality of these amplitudes / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Ferromagnetismo itinerante permanece um problema elusivo em Física. O fenômeno resulta da competição entre interação eletrônica e efeitos de muitos corpos e não pode ser tratado perturbativamente. Particularmente em uma dimensão, teoremas proíbem fases ferromagnéticas em T = 0 para modelos de rede com hopping de primeiros vizinhos. Nos últimos vinte anos, entretanto, apareceram modelos na literatura que estendem o hopping para além de primeiros vizinhos e para os quais ordem ferromagnética foi rigorosamente estabelecida. Praticamente todas as demonstrações da existência de ferromagnetos unidimensionais são feitas em fase isolante (com exceção de casos patológicos, como repulsão infinita). Isto nos levou a investigar o acoplamento entre os setores de spin e carga no regime fortemente interagente quando se dopa o sistema, o que introduz pontos de Fermi pF e -pF. Encontramos, com teoria de perturbação, singularidades logarítmicas na autoenergia do mágnon quando seu momentum é pF ou -pF. Derivamos uma teoria de campo efetiva para o espalhamento em torno desses pontos entre os mágnons e férmions sem spin (que representam o setor de carga). O modelo efetivo é similar ao modelo Kondo, que consiste de uma impureza magnética localizada acoplada localmente com um mar fermiônico por uma interação de troca entre spins. Em nosso modelo, há, na realidade, um pseudospin que indica se o momentum de uma partícula é próximo de pF ou de -pF e o mágnon se comporta como uma impureza móvel. A mobilidade da impureza leva a uma relação de dispersão para os férmions dependente do pseudospin da impureza. / Itinerant ferromagnetism remains an elusive problem in Physics. The phenomenon arises from a competition between electronic interaction and many-body effects and cannot be treated perturbatively. Particularly in 1D, there are rigorous proofs that forbid ferromagnetic phase for lattice models with nearest-neighbours hopping only. In the last twenty years, however, models with hopping beyond nearest-neighbours were proposed in the literature and for which ferromagnetic phase was rigorously established. Virtually every proof of the existence of one-dimensional ferromagnets is done in an insulator phase (disregarding some pathological cases, such as infinite electronic repulsion). That motivated us to investigate the coupling between spin and charge sectors in the strongly interacting regime when we dope the system, introducing two Fermi points, pF and -pF. We found out, through perturbation theory, logarithmic singularities in the magnon selfenergy when its momentum is pF or -pF. To understand them, we derived an effective field theory for the scattering between magnons and spinless fermions (which represent the charge sector) close to these points. The effective model resembles the Kondo model, which describes a magnetic impurity locally coupled to a fermionic sea through spin exchange interaction. In our model, there is actually a pseudospin that indicates if a particle momentum is closest to pF or -pF and the magnon behaves as a mobile impurity. The impurity mobility leads to a fermionic dispersion relation that depends on the impurity pseudospin.

Ferromagnetismo itinerante permanece um problema elusivo em Física. O fenômeno resulta da competição entre interação eletrônica e efeitos de muitos corpos e não pode ser tratado perturbativamente. Particularmente em uma dimensão, teoremas proíbem fases ferromagnéticas em T = 0 para modelos de rede com hopping de primeiros vizinhos. Nos últimos vinte anos, entretanto, apareceram modelos na literatura que estendem o hopping para além de primeiros vizinhos e para os quais ordem ferromagnética foi rigorosamente estabelecida. Praticamente todas as demonstrações da existência de ferromagnetos unidimensionais são feitas em fase isolante (com exceção de casos patológicos, como repulsão infinita). Isto nos levou a investigar o acoplamento entre os setores de spin e carga no regime fortemente interagente quando se dopa o sistema, o que introduz pontos de Fermi pF e -pF. Encontramos, com teoria de perturbação, singularidades logarítmicas na autoenergia do mágnon quando seu momentum é pF ou -pF. Derivamos uma teoria de campo efetiva para o espalhamento em torno desses pontos entre os mágnons e férmions sem spin (que representam o setor de carga). O modelo efetivo é similar ao modelo Kondo, que consiste de uma impureza magnética localizada acoplada localmente com um mar fermiônico por uma interação de troca entre spins. Em nosso modelo, há, na realidade, um pseudospin que indica se o momentum de uma partícula é próximo de pF ou de -pF e o mágnon se comporta como uma impureza móvel. A mobilidade da impureza leva a uma relação de dispersão para os férmions dependente do pseudospin da impureza. / Itinerant ferromagnetism remains an elusive problem in Physics. The phenomenon arises from a competition between electronic interaction and many-body effects and cannot be treated perturbatively. Particularly in 1D, there are rigorous proofs that forbid ferromagnetic phase for lattice models with nearest-neighbours hopping only. In the last twenty years, however, models with hopping beyond nearest-neighbours were proposed in the literature and for which ferromagnetic phase was rigorously established. Virtually every proof of the existence of one-dimensional ferromagnets is done in an insulator phase (disregarding some pathological cases, such as infinite electronic repulsion). That motivated us to investigate the coupling between spin and charge sectors in the strongly interacting regime when we dope the system, introducing two Fermi points, pF and -pF. We found out, through perturbation theory, logarithmic singularities in the magnon selfenergy when its momentum is pF or -pF. To understand them, we derived an effective field theory for the scattering between magnons and spinless fermions (which represent the charge sector) close to these points. The effective model resembles the Kondo model, which describes a magnetic impurity locally coupled to a fermionic sea through spin exchange interaction. In our model, there is actually a pseudospin that indicates if a particle momentum is closest to pF or -pF and the magnon behaves as a mobile impurity. The impurity mobility leads to a fermionic dispersion relation that depends on the impurity pseudospin.

Propriedades dinâmicas de sistemas quânticos de muitos corpos é um tópico de grande interesse em física da matéria condensada. Estas propriedades nos dão informação sobre a propagação de excitações elementares e de mecanismos de relaxação em sistemas interagentes. Neste contexto, as funções de correlação tem se tornado ainda mais relevantes devido a experimentos em sistemas de átomos frios e íons armadilhados que medem diretamente no domínio temporal os comportamentos assintóticos no tempo. No entanto, até o momento a maioria dos estudos em cadeias de spin quânticas focaram-se em correlações de um único spin. Utilizando a cadeia de spin XX unidimensional, nós estudamos métodos exatos para calcular as funções de correlação das componentes do tensor de dois spins, Tabi,j = SaiSbj. Estes operadores aparecem, por exemplo, como a resposta da seção de choque de espalhamento inelástico de raios X. Baseados no teorema de Wick, nós mostramos que algumas funções de correlação das componentes locais do tensor de dois operadores de spins de sítios vizinhos, na representação de férmions, podem ser escritas como uma combinação de funções de Green de uma única partícula. Utilizamos diagramas de Feynman para organizar esta combinação e calcular as funções de correlação. Em seguida, considerando esses propagadores para tempos longos e grandes distâncias ao longo do cone de luz, encontramos o comportamento dessas funções de correlação como leis de potência oscilatórias que decaem com o tempo e distância. Uma aplicação direta das funções de correlação é para o estudo de quantidades conservadas e não conservadas, uma análise sobre algumas dessas quantidades foi feita. Discutimos também as funções de correlação das componentes do tensor que não são locais na representação fermiônica. Nesse caso os cálculos foram mais desafiadores, mas usamos o fato que funções de correlação dependente do tempo podem ser expressadas em termos dos determinantes de Fredholm. / Dynamical properties of quantum many body systems is a major topic of interest in condensed matter physics. These properties tell us about the propagation of elementary excitation and mechanisms of relaxation in interacting systems. In this context correlation functions have became even more relevant due the experiments in systems of cold atoms and trapped ions that measure real time dependence directly out to relatively long times. However, most studies in quantum spins chains so far have focused on correlations of single spins. Using the one dimensional XX spin chain, we study exact methods to calculate the correlation functions of the components of the tensor operator involving two spins, Tabi,j = SaiSbj. This operator appear, for example, as a response of inelastic x-ray scattering cross section. Based on Wick\'s theorem, we show that some correlation functions of local components of the tensor operator of two pairs of neighbor sites, in the fermion space, can be written as a combination of Greens functions of a single particle. We have used Feynman diagrams to organize this combination and calculate the correlation functions. Then, considering these propagators for long times and large distances along the light cone, we found the behavior of these correlation functions as a oscillatory and power law decay on time. A direct application of correlation functions is to study conserved and non-conserved quantities, and such analysis has been made. We also considered other two-spin operators which are not local in the fermionic representation. In this case the calculation is more challenging, but the time-dependent correlation functions can be expressed in terms of Fredholm determinants.

Propriedades dinâmicas de sistemas quânticos de muitos corpos é um tópico de grande interesse em física da matéria condensada. Estas propriedades nos dão informação sobre a propagação de excitações elementares e de mecanismos de relaxação em sistemas interagentes. Neste contexto, as funções de correlação tem se tornado ainda mais relevantes devido a experimentos em sistemas de átomos frios e íons armadilhados que medem diretamente no domínio temporal os comportamentos assintóticos no tempo. No entanto, até o momento a maioria dos estudos em cadeias de spin quânticas focaram-se em correlações de um único spin. Utilizando a cadeia de spin XX unidimensional, nós estudamos métodos exatos para calcular as funções de correlação das componentes do tensor de dois spins, Tabi,j = SaiSbj. Estes operadores aparecem, por exemplo, como a resposta da seção de choque de espalhamento inelástico de raios X. Baseados no teorema de Wick, nós mostramos que algumas funções de correlação das componentes locais do tensor de dois operadores de spins de sítios vizinhos, na representação de férmions, podem ser escritas como uma combinação de funções de Green de uma única partícula. Utilizamos diagramas de Feynman para organizar esta combinação e calcular as funções de correlação. Em seguida, considerando esses propagadores para tempos longos e grandes distâncias ao longo do cone de luz, encontramos o comportamento dessas funções de correlação como leis de potência oscilatórias que decaem com o tempo e distância. Uma aplicação direta das funções de correlação é para o estudo de quantidades conservadas e não conservadas, uma análise sobre algumas dessas quantidades foi feita. Discutimos também as funções de correlação das componentes do tensor que não são locais na representação fermiônica. Nesse caso os cálculos foram mais desafiadores, mas usamos o fato que funções de correlação dependente do tempo podem ser expressadas em termos dos determinantes de Fredholm. / Dynamical properties of quantum many body systems is a major topic of interest in condensed matter physics. These properties tell us about the propagation of elementary excitation and mechanisms of relaxation in interacting systems. In this context correlation functions have became even more relevant due the experiments in systems of cold atoms and trapped ions that measure real time dependence directly out to relatively long times. However, most studies in quantum spins chains so far have focused on correlations of single spins. Using the one dimensional XX spin chain, we study exact methods to calculate the correlation functions of the components of the tensor operator involving two spins, Tabi,j = SaiSbj. This operator appear, for example, as a response of inelastic x-ray scattering cross section. Based on Wick\'s theorem, we show that some correlation functions of local components of the tensor operator of two pairs of neighbor sites, in the fermion space, can be written as a combination of Greens functions of a single particle. We have used Feynman diagrams to organize this combination and calculate the correlation functions. Then, considering these propagators for long times and large distances along the light cone, we found the behavior of these correlation functions as a oscillatory and power law decay on time. A direct application of correlation functions is to study conserved and non-conserved quantities, and such analysis has been made. We also considered other two-spin operators which are not local in the fermionic representation. In this case the calculation is more challenging, but the time-dependent correlation functions can be expressed in terms of Fredholm determinants.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:14:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1279127 bytes, checksum: 1105a6754e6a3c23ca4d9086f96248a1 (MD5) Previous issue date: 2011-02-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / We study two problems involving granular media, the heat transport in viscous granular gases and the mechanical pulse propagation in a granular chains of toroidal ring. To study the heat transport in granular gases, we consider two mechanisms of viscous dissipation during collisions between grains. In the first mechanism, the dissipative force is proportional to the speed of the grain and dissipates not only energy but also momentum. On the other hand, the dissipative force is proportional to the relative velocity of grains and therefore conserves momentum when it dissipates energy. This allows us to explore the role of the conservation of momentum in the heat transport properties of one-dimensional nonlinear systems. We found a thermal conductivity not divergent with or without conservation of momentum. For the system where there is conservation of momentum we obtain the heat flux decreases faster than the energy loss by inelastic dissipation due to shocks, unlike what happens with the momentum conserving system, indicating that the conservation of momentum has a role relevant. We also implemented an approximation of binary collisions to study the propagation of pulses in a onedimensional chain of O-rings. In particular, we get the analytical results from which the pulse velocity is obtained by simple quadrature. The pulse velocity thus calculated is compared with the velocity obtained by numerical integration of the equations of motion. We study chains with and without precompression, chains precompressed by a constant force at both ends (constant precompression), chains precompressed by gravity (variable precompression). The application of binary collisions approximation for precompressed chains gives us an important generalization of a theory, which until then had been developed for chains without precompression, in other words sonic vacuum state. The velocities calculated using the approximation of binary collisions showed a good agreement with the results obtained from numerical simulations, with relative errors lesser than 8%. / Estudamos dois problemas envolvendo meios granulares, o transporte de calor em gases granulares viscosos e a propagação de pulsos mecânicos em cadeias granulares de anéis toróidais. Para estudar o transporte de calor em gases granulares, consideramos dois mecanismos de dissipação viscosa durante as colisões entre grãos. No primeiro mecanismo, a força dissipativa é proporcional á velocidade do grão e dissipa não apenas energia mas também momentum. No outro, a força dissipativa é proporcional a velocidade relativa dos grãos e portanto conserva momento mesmo quando dissipa energia. Isso nos permite explorar o papel da conservação do momento nas propriedades de transporte de calor desse sistema não linear unidimensional. Encontramos uma condutividade térmica não divergente com ou sem conservação de momento. Para o sistema onde não há conservação do momento obtemos que o fluxo de calor decresce mais rapidamente do que a perda de energia por dissipação devido aos choques inelásticos, diferente do que ocorre no sistema com momento conservado, indicando que a conservação de momento apresenta um papel relevante. Também implementamos uma aproximação de colisões binárias para estudar a propagação de pulsos em uma cadeia de unidimensional de anéis toroidais (O-rings). Em particular, chegamos a resultados analíticos a partir dos quais a velocidade do pulso é obtida por quadratura simples. A velocidade do pulso assim calculada é comparada com a velocidade obtida por integraçãoo numérica das equações de movimento. Estudamos cadeias com e sem precompressão, cadeias precomprimidas por uma força constante nas duas extremidades, (precompressão constante) e cadeias precomprimidas pela gravidade (precompressão variável). A aplicação da aproximação de colisões binárias para cadeias precomprimidas nos dá uma importante generalização de uma teoria que até então só havia sido desenvolvida para cadeias sem precompressão, ou seja, para cadeias em vácuo sônico. As velocidades calculadas usando a aproximação de colisões binárias apresentaram uma boa concordância com os resultados obtidos a partir das simulações numéricas, com erros relativos inferiores a 8%.