Os recentes avanços no campo da física de altas energias têm possibilitado cada vez mais o estudo da matéria sob condições extremas. Nesse contexto, novos estados da matéria vêm sendo descobertos e especulados. Dentre esses estados hipotéticos da matéria, encontra-se o de quarks desconfinados quando em ambientes de altíssimas densidades e/ou temperaturas. O cenário de densidades extremas e baixas temperaturas é encontrado no interior de estrelas de nêutrons, fazendo destas verdadeiros laboratórios para o estudo da matéria nuclear. A proposta desse trabalho é estudar a transição de fase de desconfinamento de quarks no interior de estrelas de nêutrons não-rotantes. Começamos o trabalho com urna introdução aos modelos da hadrodinâmica quântica que descreve a matéria nuclear através de um formalismo relativístico de interação de muitos corpos, no qual a troca de mésons escalares e vetoriais é a fonte de interação entre bárions. Neste trabalho, a matéria hadrônica é descrita pelo Modelo a — w Não-Linear e pelo Modelo Ajustável, que são extensões do Modelo de Walecka. O primeiro modelo considera um acoplamento mínimo entre bárions e mésons e o segundo, um acoplamento derivativo ajustável. O ajuste de valores dos parâmetros de ambos modelos é feito através das propriedades da matéria nuclear na saturação. Em particular, ao considerarmos a presença de híperons para densidades maiores, somos impelidos a utilizar modelos teóricos para descrever o acoplamento dos mesmos com os núcleons, uma vez que híperons não populam a matéria nuclear na saturação. O diagrama de fases da Cromodinâmica Quântica (Quantum Chromodynamics - Q.C.D.) apresenta uma série de novas fases quando tomamos extremos de temperatura e/ou densidades. Em particular, estamos interessados na transição de fase que ocorre para baixa temperatura e alta densidade, no qual os quarks sofrem um desconfinamento. A matéria de quarks desconfinados é comumente descrita na literatura através do modelo de sacola do M.I.T., no qual os quarks são considerados assintoticamente livres em uma região do espaço denominada sacola. A estabilidade da sacola é assegurada através de um parâmetro denominado constante de sacola, cujos valores serão relacionados à densidade de energia da matéria de quarks. Como consideramos duas fases distintas, compostas por diferentes tipos de partículas, teremos um sistema multicomponente composto por duas fases independentes. Assumimos que a transição de fase segue o critério de Gibbs e é de primeira ordem, apresentando, portanto, uma fase mista onde ocorrerá a coexistência de fases. Consideramos ainda a conservação global da carga elétrica e do número bariônico, fazendo com que a equação de estado cresça continuamente ao longo da fase mista e possibilitando a descrição de uma estrela. É verificada a influência de diferentes escolhas de parâmetros, esquemas de acoplamentos de híperons e modelos que descrevem a matéria hadrônica na transição de fase. Os reflexos dessas incertezas serão estudados na rigidez da equação de estado, no tamanho da fase mista e no início e final da transição. Urna vez obtida a equação de estado para a matéria no interior da estrela, determinamos suas propriedades observáveis estáticas, ou seja, sua relação massa-raio, através das equações de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV). Através da equação de estado para matéria de hádrons populada por híperons. obtemos as propriedades de estrelas de híperons e.Recent advances on the field of high energy physics have enabled the study of matter under extreme conditions and, in this context, new states of matter are being discovered and speculated upon. Among these hypothetical states of matter is the one of deconfined quarks in high densities and/or temperatures. An environment with extreme densities and low temperature is found in the interior of neutron stars, making them laboratories for the study of nuclear matter. The aim of this work is to study the quark deconfinement phase transition in the interior of non-rotating neutron stars. We begin by introducing quantum hadrodynamics (QHD) models that describe nuclear matter in a relativistic many-body formalism, in which the exchange of scalar and vector mesons is responsible for the interaction among baryons. In this work the hadronic matter is described by the Non-Linear a — w Model and by the Adjustable Model, which are extentions of the Walecka Model. The former considers a minimal coupling between baryons and mesons, while the latter considers an adjustable derivative coupling. In both models, the parameters are tuned to reproduce the properties of nuclear matter at saturation dcom as equações de estado para as fases de hádrons, mista e de quarks, modelamos uma estrela híbrida, com um caroço de quarks livres em seu interior. Por fim, apontamos as incertezas teóricas inerentes à dependência dos parâmetros dos modelos que descrevem a matéria de hádrons e de quarks e também de diferentes modelos de acoplamentos de híperons para as propriedades de estrelas de híperons e híbridas. São ainda abordados tópicos em aberto no que se refere à transições de fase no contexto de estrelas compactas e novas perpectivas que podem levar a resultados mais realistas. / Recent advances on the field of high energy physics have enabled the study of matter under extreme conditions and, in this context, new states of matter are being discovered and speculated upon. Among these hypothetical states of matter is the one of deconfined quarks in high densities and/or temperatures. An environment with extreme densities and low temperature is found in the interior of neutron stars, making them laboratories for the study of nuclear matter. The aim of this work is to study the quark deconfinement phase transition in the interior of non-rotating neutron stars. We begin by introducing quantum hadrodynamics (QHD) models that describe nuclear matter in a relativistic many-body formalism, in which the exchange of scalar and vector mesons is responsible for the interaction among baryons. In this work the hadronic matter is described by the Non-Linear a — w Model and by the Adjustable Model, which are extentions of the Walecka Model. The former considers a minimal coupling between baryons and mesons, while the latter considers an adjustable derivative coupling. In both models, the parameters are tuned to reproduce the properties of nuclear matter at saturation density. In particular, when considering the presence of hyperons at higher densities, we need to use theoretical models to describe their coupling with the mesons, since hyperons do not populate nuclear matter at saturation. The quantum chromodynamics (QCD) phase diagram presents several new phases when we consider extreme temperatures and/or densities. In particular, we are interested on the transition that takes place in low temperature and high densities, in which the quarks suffer deconfinement. This kind of quark matter is usually described in the literature by means of the MIT bag model, in which the quarks are considered to be asymptotically free in a space region denominated bag. The stability of the bag is assured by means of a parameter, the bag constant, whose values are related to the energy density of quark matter. Since we consider two distinct phases, each formed of different kinds of particles, this multicomponent system is composed of two different independent phases. We assume the phase transition is first-order and follows the Gibbs' criteria, and therefore presents mixed phase. We consider a global electric and baryonic charge conservation, making the equation of state to grow continuously through the mixed phase and making it possible to describe a star. We investigate the influence of different choices of parameters, hyperon coupling schemes and QHD models on the phase transition. The influence of these uncertainties are studied in the stiffness of the equation of state. the size of the mixed phase and in the beginning and ending of the phase transition. Having determined the equation of state for the matter in the interior of the star, we obtain the star's static properties, i.e., the mass-radius relation, by use of the Tolman- Oppenheimer-Volkoff (TOV) equations. Using the equation of state for hadronic matter populated by hyperons we obtain the properties of hyperon stars and, also considering the equation of state for mixed and quark matter, we model a hybrid star, with a core made of free quarks. Finally, we point out the theoretical uncertainties, inherent to the parameters of the QHD models and of the MIT model, and also to the different hyperon scheme couplings, on the hyperon and hybrid stars' properties. In addition, open topics related to the context of phase transitions on compact stars, and new perspectives that may lead to more realistic results, are discussed.

o FeP04 nas condições ambiente cristaliza em uma estrutura tipo berlinita, que é análoga ao quartzo. O estudo do comportamento sob pressão de compostos isoestruturais ao quartzo é importante tanto do ponto de vista tecnológico quanto de Geociências. No FeP04, transformações de fase ocorrem a pressões particularmente baixas, o que o torna um sistema modelo particularmente interessante para o estudo dessa classe de compostos. Nesse trabalho, foi investigada a composição de fases de amostras de FeP04 de alta pureza processadas sob alta pressão (1,5 GPa, 2,5 GPa, 4,0 GPa e 7,7 GPa) e temperaturas de até 300°C, em uma câmara de alta pressão do tipo toroidal. O uso de um aquecimento moderado é uma garantia que o tratamento térmico atua como um alterador das condições cinéticas e nâo das condições de estabilidade termodinâmica. Isso permite que se dêem condições para o sistema evoluir para a situação de equilíbrio, permitindo a identificação de eventuais fases metaestáveis. As amostras foram estudadas usando diferentes técnicas de análise estrutural: difração de raios X, espectroscopia Raman e espectroscopia Mossbauer. Os resultados não indicaram a coexistência de fases de alta pressão cristalinas e amorfas, como previamente referido na literatura. Para a amostra processada a 1,5 GPa e 300°C, foi observada a formação de uma nova fase cristalina, não identificada em trabalhos anteriores. Para amostras processadas a pressões de 2,5 GPa, ou maiores, foi confirmada a formação da fase tipo Cmem, de acordo com outros autores. No entanto, essa fase sempre coexiste com outra fase minoritária, que parece ser uma deformação da estrutura produzida em pressões mais baixas. / At ambient conditions, FeP04 crystallizes in a berlinite-type structure, which is anaIogous to the quartz structure. A better understanding of the pressure behavior of quartz-like materiaIs is important not only in Geosciences but also for several technological appIications. The pressure induced phase transitions in FeP04 happen at reIativeIy Iow pressures, which makes this compound a very convenient model for the study of this class of materiaIs. ln this work, we have investigated the phase composition of high-purity FeP04 sampIes previously submitted at high-pressure (1.5 GPa, 2.5 GPa, 4 GPa, and 7.7 GPa) and temperatures up to 300°C in a toroidal-type high-pressure chamber. The empIoyment of moderate heating assures that the thermal treatment only changes the reaction kinetics, but not the thermodynamics stabiIity conditions. This enabIes the system evolution for an equiIibrium state, and the identification of possible metastabIe phases. The sampIes have been studied by several techniques of structural anaIysis: X-ray difIraction, Raman spectroscopy, and Mossbauer spectroscopy. The resuIts do not give any evidence for the coexistence of amorphous and crystalline high-pressure phases, as referred in the literature. For the sampIe processed at 1.5 GPa and 300°C, we observed the formation of a new crystalline phase, which was not identified in previous works. For the samples processed at 2.5 GPa, or higher, we confirmed the formation of a phase with Cmem symmetry, in agreement with other authors. However, this phase aIways coexists with a minor phase that seems to be a deformation of a structure produced at Iower pressures.

No presente trabalho, estudamos as propriedades críticas do modelo esférico quântico de vidros de spin com potencial de longo alcance usando grupo de renormalização e expanção diagramática a ordem um loop. São apresentados cálculos detalhados da função de parti ção, do Hamiltoniano em teoria de campos, das funções de vértice, funções de Wilson e expoentes críticos. Mostramos como a função de partição se divide em uma parte de campo médio e outra perturbativa, permitindo o estudo de ambas as partes separadamente (independentemente). Considerando as perturbações, desenvolvemos a estrutura diagramática para a teoria 3 com a inclusão da dinâmica, característica intrínseca das transições de fase quânticas (1, 2). Renormalizamos as funções de vértice para ambos os casos, de longo e curto alcance, usando o método da mínima subtração dos pólos dimensionais, estabelecendo resultados para os expoentes críticos corrigidos a primeira ordem. Também mostramos a necessidade da introdução de uma nova constante, a, referente à renormalização da parte dinâmica do sistema, o que leva a uma nova função de Wilson (u), relacionada com a corre ção do expoente crítico dinâmico z através das equações de grupo de renormalização para o caso estudado. Novos resultados para os expoentes críticos conhecidos são encontrados, incluindo a presença de um ponto xo estável não trivial a baixas dimensionalidades (d < dc), diferente do que se encontra na literatura, na qual o ponto xo estável para dimensões abaixo da dimensão crítica é o gaussiano(3, 4). / We study the critical properties of the quantum spherical model of spin glasses with short and long range interaction using renormalization group technique up to order one loop. We present detailed calculation of the partition function, the eld theory Hamiltonian, the vertex functions, the Wilson functions and the critical exponents. We show how the partition function splits in a mean eld part and a perturbative part, allowing us to study both separately. Considering perturbations, we develop a diagrammatic structure for 3 theory including dynamics, which is an intrinsic feature of the phase transition in quantum systems (1, 2). We renormalize the vertex functions for both cases (long and short range) using minimal subtraction of dimensional poles, establishing results for the critical exponents corrected to order one loop. We also discuss the necessity of the introduction of a new constant, a, connected to the renormalization of the dynamical part of the system, which leads to a new Wilson function (u) that is closely related to the corrections of the critical exponent z through the solutions of the renormalization group equations for the case we study. New results for the known critical exponents are presented, including the presence of a stable non-gaussian xed point at low dimensionality (d < dc), contradicting the expected ow to the Gaussian xed point presented in the references (3, 4).

Neste trabalho estudamos um ferromagneto de Ising em uma rede bidimensional. Consideramos fases espacialmente anisotrópicas em um modelo de Ising dipolar frustrado na presença de um campo externo, em uma aproximação de campo médio e também em outros dois modelos com configurações mais simples das paredes de domínio. Em um primeiro momento, foi estudado o modelo de Ising em uma rede quadrada, no qual há a competição entre a interação de troca, a qual favorece um estado uniforme, e a interação dipolar, que favorece a presença de domínios. Os domínios de equilíbrio observados têm a estrutura de listras ou faixas simétricas, quebrando a isotropia espacial do sistema. Na segunda parte do estudo, é adicionado ao sistema um campo magnético externo, o qual é homogêneo; este campo favorece uma orientação preferencial das faixas, gerando um padrão de modulação de faixas assimétricas. Este campo externo está também em competição com a interação dipolar, favorecendo o estado uniforme. Experimentos recentes [1, 2] mostram uma transição de fases inversa uniforme-moduladauniforme, a medida que se diminui a temperatura para um campo externo fixo. Resultados analíticos em um modelo de Ginzburg-Landau [3] mostram a curva reentrante campo vs. temperatura, perto do ponto crítico, onde o modelo é válido. No estudo a campo nulo, analisamos o comportamento do sistema com o aumento da intensidade relativa entre os parâmetros de interação de troca e dipolar δ. Observamos que, para grandes valores de δ, o sistema apresenta uma grande metaestabilidade e o período de modulação das faixas cresce fortemente próximo `a transição. Na região de δ grande, o semi-período da modulação h obedece `a relação h(δ) ∼ eδ/2, de acordo com estudos realizados em [4]. No estudo com campo externo, através de uma análise numérica, mostramos que os graus de liberdade internos das paredes de domínio são essenciais para a presença da transição inversa. Também mostramos que em um modelo com paredes estreitas não é observada a reentrância (transição inversa). Em altas temperaturas os graus de liberdade adicionais do modelo de campo médio aumentam a entropia do sistema, reduzindo a energia livre. Em temperaturas baixas as paredes de domínio tornam-se mais estreitas e com os correspondentes graus de liberdade congelados, o que, eventualmente, induz a transição inversa para a fase homogênea. Mostramos também que, aumentando o campo magnético a uma temperatura constante, a largura da faixa aumenta muito rapidamente ao aproximar-se da linha de campo crítico, e diverge na transição. Nosso objetivo é obter o diagrama de fases para o modelo de Ising deste sistema, e explicar a origem da transição inversa observada em filmes magnéticos ultrafinos com anisotropia perpendicular. / In this work we study a Ising ferromagnet on a two-dimensional lattice. We consider spatially anisotropic phases in a dipolar frustrated Ising model in an external field in a mean field approximation and also in two other models with a simpler configuration of the domain walls. At first, was studied the Ising model on a square lattice, in which there is the competition between the exchange interaction, which favors a uniform state, and the dipolar interaction, which favors the presence of domains. The equilibrium domains have the structure of symmetric stripes or bands, breaking the isotropy of the system. In the second part of the study, it is added to the system an external magnetic field, which is homogeneous; this field favors a preferential orientation of stripes, generating a modulation pattern of asymmetric bands. This external field is also in competition with the dipolar interaction, favoring the uniform state. Recent experiments [1, 2] show an inverse phase transition uniform-modulated-uniform, as the temperature is reduced at fixed external field. Analytical results in a Ginzburg- Landau model [3] show the reentrant curve field vs. temperature, near the critical point, where the model is valid. In the zero field case, we analyzed the system behavior with growing values of the parameter δ, which measures the relative intensity between the exchange and dipolar interactions. We observe that, for large values of δ, the system displays a large metastability and the modulation period of stripes grows strongly near the transition. In the region of large δ , the half-period of modulation h, follows the relation h(δ) ∼ eδ/2, according to studies conducted in [4]. At high temperatures the additional degrees of freedom of mean-field model increase the entropy of the system, reducing the free energy of the stripe phase. At low temperatures the domain walls becomes narrower and the corresponding degrees of freedom frozen, which eventually induces an inverse transition to the homogenous phase. We also show that, for growing external field at constant temperature, the stripe width grows strongly when approaching the critical field line, and diverges at the transition. Our goal is to obtain the phase diagram for the Ising model on this system, and explain the origin of the inverse symmetry breaking transition observed in ultrathin magnetic films with perpendicular anisotropy.

A água é uma das substâncias mais importantes em nosso planeta. São conhecidas atualmente 70 anomalias para a água. Uma das principais anomalias da água é a anomalia na densidade, através da qual a densidade da água aumenta com a diminuição da temperatura e atinge um máximo. É devido a ela que o gelo flutua em água e assim animais aquáticos sobrevivem quando a temperatura ambiente é muito baixa. Podemos citar também a anomalia na difusão, na qual a molécula de água se difunde mais rapidamente quando o sistema está mais denso. Acredita-se que as anomalias da água surgem devido a possibilidade de formação de ligações de hidrogênio entre suas moléculas. A combinação de ligações de hidrogênio e de interações de van der Walls leva à formação de dois tipos de estrutura: uma em que as moléculas formam quatro ligações de hidrogênio e que implica em moléculas mais distantes, e outra estrutura mais compacta sem tantas ligações de hidrogênio. Acredita-se que a competição entre estas duas estruturas seja responsável pela existência de anomalias na água. Nos modelos atomísticos, a direcionalidade das ligações de hidrogênio é considerada ingrediente importante para presença de anomalias. Além disso, as interações atrativas consideradas são igualmente importantes. Neste trabalho verificamos se a direcionalidade e as interações atrativas são fundamentais para a presença de anomalia. Estudou-se um modelo puramente repulsivo de duas escalas. O modelo estudado possui 3 diferentes fases para T = 0: duas fases ordenadas, uma na qual 1/4 da rede encontra-se ocupada e outra de 1/3 de ocupação, e a fase gasosa com rede vazia. Para temperatura não nula o sistema apresenta as duas estruturas ordenadas já observadas em temperatura nula e uma fase fluida desordenada. Foi obtido o diagrama de fases a potencial químico vs temperatura para o modelo. As transições de fase foram analisadas. Além disso foi observada a transição entre os comportamentos forte e fraco para a difusão, além das anomalias na densidade e no coeficiente de difusão para uma certa região do diagrama de fases. Observou-se que a linha de temperatura de máxima densidade engloba a região de anomalia na difusão no diagrama de fases, e estas anomalias encontram-se na região reentrante da linha de coexistência, próxima ao ponto bicrítico. / Water is one of the most important substances in our world. Nowadays 70 anomalies are known for water. One of the major anomalies of water is the density anomaly, in which water density increases with the decrease of temperature and reaches a maximum. Because of this anomaly ice floats on liquid water and aquatic animals can survive when room temperature is too low. We can also cite the anomaly in the diffusion, where a water molecule can spread faster when the system has higher density. It is believed that water anomalies rise from the possibility of hydrogen bonds interaction between two water molecules. The combination of hydrogen bonds and the van der Waals interactions leads to the formation of two kinds of structures: one of them where water molecules form four hydrogen bonds and implies on more distant molecules; the other structure is more compact and doesn’t have so much hydrogen bonds. It is believed that the two structures competition is responsible for the existence of water anomalies. In the atomistic models the directionality of hydrogen bonds is considered an important ingredient for the presence of anomalies. Furthermore, the attractive interactions considered are equally important. In this work we verified if the directionality and the attractive interactions are fundamental for the presence of anomalies. We studied a purely repulsive model with two scales. The studied model has three different phases when temperature T = 0: two ordered phases, one with a 1/4 of the lattice occupied and other with density 1/3 occupied sites, and a gas phase that is all empty. For temperature greater then zero the system presents the same two ordered structures and a fluid disordered phase. We obtained the temperature vs chemical potential phase diagram for this model. The phase transitions were analyzed. Moreover, we have observed the transition between the fragile and strong behaviors for diffusion, besides the density and diffusion coefficient anomalies for a certain region of the phase diagram. We have observed that the temperature of maximum density encompasses the diffusion anomaly region in phase diagram, and these anomalies are in the reentrant coexistence line region, near to the bicritical point.

Neste trabalho, estudamos a interação de íons com um conjunto quase-monocromático de ondas eletrostáticas de frequência na faixa das frequências híbridas inferiores, propagando-se perpendicularmente a um campo magnético uniforme. Consideramos que as fases das ondas são aleatoriamente distribuídas (ondas incoerentes), tratando o caso de ondas de fases coerentes (ondas coerentes) como um caso particular. Derivamos o Hamiltoniano adequado a esse sistema, e deduzimos as equações de movimento, cujas soluções são analisadas numericamente, mostrando a ocorrência de difusão estocástica no espaçoo de fase ângulo-ação, para amplitudes de onda suficientemente grandes. Também fazemos estimativas sobre a amplitude mínima (threshold) para o aparecimento de ilhas de primeira ordem no espaço de fase. Estimamos, também, o limiar para as ilhas de segunda ordem e de ordens maiores, bem como o limiar de estocasticidade. A análise mostra que para o caso de várias ondas o comportamento estocástico ocorre antes do limiar de estocasticidade comparado com o caso de uma onda. No caso de ondas coerentes, observa-se que o limiar de estocasticidade diminui com o aumento do número de ondas que comp˜oem o conjunto de ondas, proporcionalmente ao inverso da raiz quadrada deste número, portanto, tendendo a ser nulo no limite em que o número de ondas no pacote tende a infinito. No caso de ondas incoerentes, observa-se também uma diminuição do limiar de estocasticidade com o aumento do número de ondas, mas nesse caso, saturando com valor até um terço do valor do limiar de estocasticidade para o caso de uma onda. Observa-se também que o limite superior da região de estocasticidade no espaço de fase aumenta com o aumento do número de ondas. No caso de ondas coerentes, esse aumento é proporcional à raiz cúbica do número de ondas que compõem o conjunto de ondas. No caso de ondas incoerentes o limite superior da região de estocasticidade têm um aumento de até o dobro em relação ao caso de uma onda. A análise também mostra que o mecanismo da estocasticidade para o caso de várias ondas é diferente do mecanismo atuante no caso de uma onda. No caso de uma onda, a estocasticidade ocorre por superposição de ilhas de ordens maiores do que um, com o aumento da intensidade da onda. No caso de várias ondas, a presençaa de ondas de frequências próximas à frequência de ressonância causa pequenas perturbações na trajetória principal das partículas, causada pela onda central, espalhando-a pelo espaço de fase de forma mais eficiente que o mecanismo de estocasticidade para o caso de uma onda.

Orientador: Isabel Cristina Sales Fontes Jardim / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-07-20T22:50:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Queiroz_SoniaClaudiadoNascimentode_M.pdf: 1598541 bytes, checksum: 81987cce87ab785d2438fe0a43931f82 (MD5) Previous issue date: 1995 / Mestrado

As variáveis de processo determinam as propriedades dos produtos resultantes dos processos de fundição ou de soldagem, que são função da sua macro e microestrutura bruta de solidificação. Um dos parâmetros importantes para se determinar as propriedades de um produto é a posição da transição colunarequiaxial (CET) e, por este motivo, o entendimento dos fenômenos físicos que causam esta transição é essencial. Com o intuito de se prever a formação da CET, surgiram os métodos empíricos e os modelos matemáticos, que são divididos em dois grandes grupos: modelos determinísticos e modelos estocásticos. Estes dois grupos foram bem estudados, porém nunca foram comparados entre si, particularmente em relação à previsão da posição da CET. O presente trabalho tem como um primeiro objetivo preencher esta lacuna através da comparação entre estes modelos. No entanto, o objetivo principal é apresentar, implementar e validar um novo modelo matemático, denominado de híbrido estocástico-determinístico (CADE -\"Cellular Automaton Deterministic\"), que combine características importantes e vantajosas de cada um dos dois grupos de modelos. Inicialmente, um modelo representante do grupo dos modelos estocásticos foi implementado e validado frente a resultados disponíveis na literatura. Durante esta validação, foi necessária a elaboração de um critério baseado na razão de aspecto dos grãos para a identificação da CET nas macroestruturas calculadas pelo modelo. Estes resultados foram então comparados com os resultados de modelos determinísticos para, após cuidadosa discussão, possibilitar a proposta e implementação do modelo híbrido. Os modelos determinísticos que utilizam o critério mecânico para prever o bloqueio de grãos colunares e a ocorrência da CET mostram regiões colunares em geral maiores que as previstas pelo modelo estocástico. Por outro lado, os modelos determinísticos que utilizam um critério de bloqueio a partir da interação do campo de concentração de soluto ao redor dos grãos prevêem uma CET em posições semelhantes às calculadas pelos modelos estocásticos. O modelo implementado no presente trabalho é capaz de prever a macroestrutura bruta de solidificação e ainda utilizar as equações tradicionalmente empregadas nos modelos determinísticos, sem a necessidade de qualquer método extra para prever a posição da frente de crescimento colunar ou o seu bloqueio por grãos equiaxiais. / The processing variables determine many properties of the products obtained by casting and welding processes and these properties, on the other hand, are strongly affected by the as-cast micro and macrostructure. Particularly the position of the columnar-to-equiaxed transition (CET), which determines the amount of columnar and equiaxed grains in the macrostructure, has an important effect on the properties of as-cast parts. Therefore, understanding the important physical phenomena that cause and affect the formation of the CET plays a crucial role in predicting the ascast macrostructure. To predict the CET formation, empirical methods and mathematical models have been developed. These models are frequently divided into two main groups: deterministic and stochastic. Both groups have been thoroughly studied, but a comparison between them was never attempted, especially regarding the prediction of the CET position. One of the main objectives of the present work is to fulfill this gap by carefully comparing these models. Nevertheless, the most important objective is to propose, implement, and validate a hybrid stochastic-deterministic model, referred to as CADE (Cellular Automaton Deterministic), that combines some important and well-known features of each model. Initially, a model from the stochastic group was implemented and validated using results available in the literature and then used to analyze the effects of some processing variables on the CET prediction. To carry out this analyzes, a criteria based on the aspect ratio of the grains was proposed and developed to identify the CET region from macrostructure images calculated by the model. The results were compared with those obtained by deterministic models and finally led to the development of the new proposed model. This new model has some characteristics from each group of mathematical models and, for this reason, was denoted as hybrid. A deterministic model based on a mechanical blocking criterion to block columnar grains and define the CET position showed, for the most part, larger columnar regions than those predicted by the stochastic model. A deterministic model with a solutal blocking criterion to predict the CET showed results similar to those calculated with the stochastic model. The model proposed in the present work (CADE) was able to predict the as-cast macrostructure using the well-established deterministic equations, without the need for a new method to track columnar grains or predict their blocking by equiaxed grains.

Orientador: Yakov Kopelevich / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-02T06:08:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Torres_JoseHenriqueSpahn_D.pdf: 5364307 bytes, checksum: 44e67178d370c766c3590449819c50e7 (MD5) Previous issue date: 2002 / Resumo: Nesta tese de doutorado estudamos a dinâmica e as propriedades de aprisionamento de vórtices em supercondutores de alta temperatura crítica. Encontramos o desaparecimento com a diminuição do tamanho da amostra do efeito chamado segundo pico na magnetização, um aumento na largura do "loop" de magnetização em função do campo magnético aplicado. Mostramos que este efeito pode ser explicado pela teoria da instabilidade termo-magnética, onde o movimento tipo avalanche dos vórtices causa um aumento local da temperatura, que quando não dissipado, resulta em uma diminuição da magnetização irreversível. Através de medidas de resistência não local identificamos correlações vórtice-vórtice acima da fronteira de transição de primeira ordem. Identificamos esta fronteira como uma transição de desancoramento da rede de vórtices da rede atômica, ou seja, uma transição entre um estado de vórtices menos ordenado e um estado mais ordenado dos vórtices. Identificamos também que a transição de fusão da rede de vórtices pode ocorrer bem acima da fronteira de transição de primeira ordem. Medidas da magnetização e resistência basal em função da temperatura e campo magnético em grafite mostraram evidências da ocorrência de instabilidades supercondutoras. Transição induzida por campo magnético entre um comportamento tipo metálico para um comportamento tipo semicondutor da resistência basal acontece em um campo Hc~1 kOe aplicado paralelo ao eixo-c cristalográfico. A análise dos dados usando uma teoria de escala revelou uma grande similaridade entre esta transição e a medida em filmes finos supercondutores e outros sistemas 2D, porém esta transição em grafite é observada em temperaturas duas ordens de grandeza maiores / Abstract: In this thesis we have studied dynamics and pinning properties of the vortex matter in high temperature superconductors. It is found that the second magnetization peak (SMP) effect, an increase in the magnetization hysteresis loop width in Bi2212 single crystals vanishes with decreasing the crystal size. We showed that this effect is not related to the critical current enhancement but can be well explained within a framework of the thermomagnetic instability theory, where the avalanche-like motion of the vortices causes a local increase of the temperature, that if not dissipated, results in a decrease of the irreversible magnetization. Through non-local in-plane resistance measurements we have concluded on vortex-vortex correlations above the first order transition (FOT) boundary. We identified the FOT with a decoupling transition of the flux line lattice from the atomic lattice, that is the transition from a relatively disordered vortex state to a more ordered vortex lattice state. Our results suggest also that the melting transition of the flux line lattice can occur well above the first order transition boundary. Basal plane resistance Ra ( H, T) and magnetization M ( H, T) measurements performed on graphite provide evidence for superconductivity instability occurring in this material. In particular, we have found a magnetic-field-induced transition from metallic- to semiconductor-type resistance behavior. The analysis of the data using a scaling theory revealed a striking similarity between this transition and that measured in thin-film superconductors and other 2D systems. However, in contrast to those materials, the transition in graphite is observable at almost two orders of magnitude higher temperatures / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Alex Antonelli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-03T17:15:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Miranda_CaetanoRodrigues_D.pdf: 8261231 bytes, checksum: 904c840b8e0f4bde958bc52c17589ffd (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: Os conceitos de ordem e desordem em materiais foram explorados sob a ótica de simulações computacionais. O objetivo foi mostrar que, a partir de simulações computacionais, é possível modelar, caracterizar e prever as propriedades e processos relacionados à ordem & desordem em materiais nas suas várias dimensões. A modelagem computacional se deu através de duas metodologias: cálculos de primeiros princípios e potenciais empíricos utilizando o método de Monte Carlo. Tendo como paradigma de ordem perfeita os semicondutores na estrutura do diamante, abordamos tanto os elementos de ordem na desordem, quanto os de desordem na ordem, além de introduzirmos o conceito de supra-ordem. Em relação aos elementos de ordem na desordem, abordamos quantitativamente o problema da transição vítrea no Si e das propriedades do Si amorfo. A respeito da supra-ordem, as propriedades termodinâmicas, estruturais e energéticas dos Clatratos tipos I e II do Si, Ge e C foram determinadas. Pela primeira vez determinou-se os pontos de fusão desses sistemas para o Si: Si34 (1522 K) e Si46 (1482 K). Os estudos da energia livre a partir do método Reversible Scaling permitiram uma determinação acurada do diagrama de fases do Si e demonstrando a importância dos efeitos anarmônicos. Sobre os elementos de desordem na ordem, estudamos defeitos pontuais, lineares e planares. Em relação aos pontuais, estudamos as vacâncias em semicondutores nas estruturas do diamante, clatratos e amorfos. Em particular para os amorfos, investigamos os efeitos da relaxação estrutural sobre as propriedades eletrônicas através de cálculos ab initio. Um comportamento bastante rico foi observado, desde aniquilação da vacância à criação de defeitos "estáveis". Para os sítios estudados, os estados profundos do gap desaparecem com a relaxação atômica. A respeito dos defeitos lineares, abordamos o problema das diferenças de energias livres entre duas estruturas candidatas a caroço na discordância parcial de 900: Single Period (SP) e Double Period (DP). Os resultados indicam que a diferença média da energia livre entre as reconstruções, aumenta com o aumento da temperatura, tanto para o Si quanto Ge. Tomando a estrutura DP ainda mais dominante em relação a SP em altas temperaturas. Finalmente, estudamos os defeitos planares em Carbono na estrutura do diamante simulando o processo de cisalhamento. Sugerimos um novo modelo para os defeitos conhecidos como plaquetas e demonstramos que esse modelo satisfaz às propriedades experimentais conhecidas / Abstract: Concepts of order and disorder in materials are explored from the point of view of computer simulations. Our main aim is to illustrate that is possible to model, characterize and predict the properties and processes related to order-disorder in materials in several degrees. Computational modeling has been performed by using ftrst principles calculations and Monte Carlo method with empirical potentials. Semiconductors in the diamond structure have been defined as the ideal ordered system. According to the present view, we have studied the symptoms of order in disordered systems and the symptoms of disorder in ordered systems, as well; we have introduced the concept of supra-order. About order in disorder, we have investigated the glass transition in Si and the properties of amorphous Si (a-Si) have been determinated. For the supra-order degree, the thermodynamics and structural properties of group-IV Clathrates have been studied. The melting point was estimated to be 1482 K for Si46 and 1522 K for Si34. The thermodynamic properties of Si phases as functions of temperature have been studied by using the Reversible Scaling Method in the Monte Carlo approach. We present a quantitative phase diagram of Silicon and we show that the anharmonic effects play an important role. On disorder in the order end, we have investigated point, linear and planar defects in materials. We have studied vacancies in diamond, clathrates and amorphous structures of semiconductors. In particular, for vacancies a-Si, a very rich behavior has been observed from the complete rearrangement of the atoms in order to preserve the tetrahedral structure to the creation of stable vacancies. We have also investigated the effects of structural relaxation of the electronic properties. From the electronic structure point of view, deep gap levels disappear after the structural relaxations in vacancies in a-Si. We have studied the differences of free energy between the single period and the double period core reconstructions of the 90° partial dislocation in sihcon and germanium as functions of temperature. Our results indicate that the average differences of free energy increase with temperature for both, Si and Ge, making the double period reconstruction even more dominant in high temperatures. Finally, we have simulated the shear process in Carbon diamond. We propose a new model for platelets in diamond that is in agreement with all experimental data available / Doutorado / Física / Doutor em Ciências