Neste trabalho realizo uma adaptação do método de Ma, Dasgupta e Hu para o estudo e caracterização das transições de fase quânticas, induzidas por um campo transverso, em cadeias XY de spins 1/2, unidimensionais e aperiódicas, no espírito da adaptação correspondente para cadeias XXZ. O presente trabalho determina de forma analítica uma série de expoentes críticos associados às transições ferro-paramagnéticas do sistema, e dá pistas quanto à natureza das estruturas presentes no estado fundamental. Os resultados são então testados pelo emprego da técnica de férmions livres, da análise de nite size scaling e, no limite de Ising, de resultados extraídos do mapeamento do problema em uma caminhada aleatória. / We employ an adaptation of the Ma, Dasgupta, Hu method in order to analyze the quantum phase transition, induced by a transversal magnetic eld, at spin-1/2 aperiodic XY chains, in analogy to the corresponding adaptation for XXZ chains. We derive analytical expressions for some cri tical exponents related with the ferro-paramagnetic transitions, and shed light onto the nature of the ground state structures. The main results obtained by this approach were tested by the free-fermion method, nite-size scaling analyses and, at the Ising limit of the model, by using results derived from a mapping to a random-walk problem.

Transições de fase termodinâmicas são usualmente estudadas por meio do ensemble canônico e estão associadas a sistemas macroscópicos. Entretanto, tem-se tornado cada vez mais frequente e importante o estudo de sistemas físicos pequenos, cujos alcances característicos das interações equivalem aos tamanhos dos sistemas. Nestes casos pode haver inequivalência entre grandezas físicas obtidas nos ensembles canônico e microcanônico. Encontramos inúmeros exemplos destes sistemas em diversas áreas da Física. Na área de matéria condensada temos, por exemplo, o modelo Blume-Capel com interações de alcance infinito. Neste modelo as soluções exatas canônica e microcanônica são inequivalentes. Este modelo é investigado nesta tese por meio de um ensemble interpolante, conhecido como gaussiano estendido, como uma aplicação teórica preliminar. Adicionalmente, empregamos o arcabouço mecânico-estatístico no estudo de certas biomoléculas com ampla importância biológica: proteínas. Atualmente o estudo do comportamento termodinâmico destas moléculas tem ficado restrito quase que exclusivamente a abordagem via ensemble canônico. Neste trabalho analisamos os resultados da etapa microcanônica de simulações multicanônicas procurando obter aspectos físicos de biomoléculas como os domínios Src SH3 (pdb: 1NLO) e as Príons humanas (pdb: 1HJM). Caracterizamos com esta abordagem as transições de fase de enovelamento e de agregação destes sistemas. Os resultados obtidos são interpretados à luz da termoestatística microcanônica, oferecendo um ponto de vista fenomenológico alternativo à abordagem usual. / Thermodynamic phase transitions are usualy studied by the canonical ensemble and they are associated to macroscopic systems. However, it is becoming more frequent and important the study of small physical systems: whose characteristic interaction-lengths are equivalent to system sizes. In these cases there can happen inequivalences among quantities computed im the canonical and microcanonical ensembles. There are inumerous examples of that systems in various areas of physics. In the field of condensed matter there is for instance the Blume-Capel model with infinite-range interactions. The canonical and microcanonical exact solutions of this model are inequivalents. That model is investigated on this thesis through an interpolating ensemble, known as the extended gaussian, as a preliminar theoretical application. Additionally, we have employed the statistic-mechanical framework to study some biomolecules of large biological interest: proteins. Nowadays the study of the thermodynamic behavior of that molecules has been restricted almost only to the canonical approach. However, in this work we have analysed by the microcanonical step of multicanonical simulations the physical aspects of biomolecules as the domain Src SH3 (pdb: 1NLO) and the human Prions (pdb: 1HJM). Thus, we characterize with this approach the phase transitions of folding and aggregation of that systems. The results obtained are interpretated under the light of the microcanonical thermostatistics, offering an alternative phenomenological viewpoint.

Orientador: Eduardo Miranda / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-01T08:41:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida_DalsonEloy_D.pdf: 2470369 bytes, checksum: 93d3b945f62f374cfd686217575dda95 (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Nesta tese estudamos a relação entre antiferromagnetismo e supercondutividade em pnictídeos à base de ferro. Este estudo será feito através da análise de uma energia livre de Ginzburg-Landau de parâmetros de ordem acoplados que será derivada de um modelo microscópico. Em particular, estamos interessados em saber se a transição entre os estados ordenados é de primeira ordem ou se as duas ordens podem coexistir. Para o caso de supercondutividade convencional as duas fases puras nunca coexistem. Entretanto, quando a supercondutividade é não-convencional e a condição de nesting perfeito não é satisfeita, pode haver um regime intermediário de coexistência microscópica das duas ordens. Nesta nova fase termodinâmica, as simetrias de rotação no espaço de spins, de reversão temporal e U(1) são quebradas simultânea e localmente. Logo, os canais de supercondutividade singleto e tripleto se misturam quanticamente. Em outras palavras, uma componente tripleto secundária do estado supercondutor é gerada. Os diagramas de fases do sistema são apresentados e analisamos também como flutuações magnéticas, acima da temperatura de Néel pura, afetam a temperatura de transição tripleto. Investigamos também o efeito da magnetização alternada no efeito Josephson, i.e., na supercorrente que flui através de uma junção entre dois supercondutores na fase de coexistência. Por fim, mas não menos importante, estudamos o efeito de proximidade em uma interface entre um supercondutor e um antiferromagneto. Veremos que os pares de Cooper podem penetrar a região magnética e em consequência, uma componente tripleto é induzida próximo da interface / Abstract: In this thesis, we study the interplay between antiferromagnetism and superconductivity in iron pnictides. This study will be done analyzing a free energy of coupled order parameters which will be derived from a microscopic model. In particular, we are interested if the phase transition between the ordered states is first order or if the two orders can coexist. For the case of conventional superconductivity, the two phases cannot coexist. However, when superconductivity is unconventional and the perfect nesting condition is not satisfied, there can exist an intermediary state of microscopic coexistence of the two orders. In this new thermodynamic phase, spin rotation, time reversal and U(1) symmetries are simultaneously and locally broken. Therefore, the singlet and triplet superconductivity channels are quantum mechanically mixed. In other words, a secondary triplet component is generated. The phase diagrams of the system are presented and we also analyze the effect of magnetic fluctuations above the pure Néel temperature on the triplet temperature transition. We also investigate the effects of the staggered magnetization on the Josephson effect, i.e., on the supercurrent that flows through a junction of two superconductors in the coexistence phase. Last, but not least, we study the proximity effect at an interface between a superconductor and an antiferromagnet. We will see that the Cooper pairs can penetrate the magnetic region and consequently a triplet component is induced near the interface / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 140834/2013-3 / 2342/15-4 / CNPQ / CAPES / BEX

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho, os efeitos de um campo magnético oblíquo externo no modelo de Gross- Neveu (2+1)-dimensional, que inclui as componentes paralela e perpendicular do campo em relação ao sistema, são estudados no contexto da simetria quiral e discreta do modelo. Nosso principal interesse está nos efeitos deste campo sobre o diagrama de fase do sistema, onde também incluímos os efeitos combinados de temperatura e potencial químico. Os diagramas de fase são obtidos através do potencial efetivo a 1 loop para o modelo, derivado em primeira ordem na expansão 1=N. Transições de fase relevantes que podem ser estudadas através deste modelo são, por exemplo, metal-isolante em matéria condensada e na teoria quântica de campos de férmions planares em geral. A relação entre a transição de fase com quebra da simetria quiral e discreta e o surgimento de um gap (ou a presença de um valor esperado no vácuo do campo escalar diferente de zero), como função do campo magnético oblíquo, é analisada em detalhes. / In this work, the effects of an external oblique magnetic field in the (2+1)-dimensional Gross-Neveu model, and that therefore includes both parallel and perpendicular components of the applied field, are studied in the context of the models discrete chiral symmetry. Our main concern is in the effects of such a field in the systems phase diagram and that also includes the combined effects of temperature and chemical potential. The phase diagrams are obtained through the one-loop effective potential for the model, derived in the leading order in the 1=N expansion Relevant phase transitions that can be studied through this model are, for example, metal-insulator ones in condensed matter and in the quantum field theory of planar fermions in general. The relation between the phase transition with (discrete) chiral symmetry breaking and the emergence of a gap (or the presence of a chiral nonvanishing vacuum expectation value) in the planar fermionic system, as a function of the external oblique magnetic field, is analyzed in details.

O modelo de Ising dipolar bidimensional inclui, além da interação ferromagnética entre os primeiros vizinhos, interações de longo alcance entre os momentos de dipolo magnético dos spins. A presença da interação dipolar muda completamente o sistema, apresentando um rico diagrama de fase, cujas características têm originado inúmeros estudos na literatura. Além disso, a possibilidade de explicar fenômenos observados em filmes magnéticos ultrafinos, os quais possuem diversas aplicações em àreas tecnológicas, também motiva o estudo deste modelo. O estado fundamental ferromagnético do modelo de Ising puro é alterado para uma série de fases do tipo faixas, as quais consistem em domínios ferromagnéticos de largura $h$ com magnetizações opostas. A largura das faixas depende da razao $\\delta$ das intensidades dos acoplamentos ferromagnético e dipolar. Através de simulações de Monte Carlo e técnicas de repesagem em histogramas múltiplos identificamos as temperaturas críticas de tamanho finito para as transições de fase quando $\\delta=2$, o que corresponde a $h=2$. Calculamos o calor específico e a susceptibilidade do parâmetro de ordem, no intervalo de temperaturas onde as transições são observadas, para diferentes tamanhos de rede. As técnicas de repesagem permitem-nos explorar e identificar máximos distintos nessas funções da temperatura e, desse modo, estimar as temperaturas críticas de tamanho finito com grande precisão. Apresentamos evidências numéricas da existência de uma fase nemática de Ising para tamanhos grandes de rede. Em nossas simulações, observamos esta fase para tamanhos de rede a partir de $L=48$. Para verificar o quanto a interação dipolar de longo alcance afeta as estimativas físicas, nós calculamos o tempo de autocorrelação integrado nas séries temporais da energia. Inferimos daí quão severo é o critical slowing down (decaimento lento crítico) para esse sistema próximo às transições de fase termodinâmicas. Os resultados obtidos utilizando um algoritmo de atualização local foram comparados com os resultados obtidos utilizando o algoritmo multicanônico. / Two-dimensional spin model with nearest-neighbor ferromagnetic interaction and long-range dipolar interactions exhibit a rich phase diagram, whose characteristics have been exploited by several studies in the recent literature. Furthermore, the possibility of explain observed phenomena in ultrathin magnetic films, which have many technological applications, also motivates the study of this model. The presence of dipolar interaction term changes the ferromagnetic ground state expected for the pure Ising model to a series of striped phases, which consist of ferromagnetic domains of width $h$ with opposite magnetization. The width of the stripes depends on the ratio $\\delta$ of the ferromagnetic and dipolar couplings. Monte Carlo simulations and reweighting multiple histograms techniques allow us to identify the finite-size critical temperatures of the phase transitions when $\\delta=2$, which corresponds to $h=2$. We calculate, for different lattice sizes, the specific heat and susceptibility of the order parameter around the transition temperatures by means of reweighting techniques. This allows us to identify in these observables, as functions of temperature, the distinct maxima and thereby to estimate the finite-size critical temperatures with high precision. We present numerical evidence of the existence of a Ising nematic phase for large lattice sizes. Our results show that simulations need to be performed for lattice sizes at least as large as $L=48$ to clearly observe the Ising nematic phase. To access how the long-range dipolar interaction may affect physical estimates we also evaluate the integrated autocorrelation time in energy time series. This allows us to infer how severe is the critical slowing down for this system with long-range interaction and nearby thermodynamic phase transitions. The results obtained using a local update algorithm are compared with results obtained using the multicanonical algorithm.

Liquid crystals exhibit a great variety of phases which differ one from another by their structure and physical properties. Near a phase transition, these mesoscopic phases are very sensitive to the surface interactions showing interfacial phenomena which are extraordinarily variable and interesting. The interaction between boundary surfaces and liquid crystal molecules results in surface layers with properties strongly different from the interior ones. For example, it is observed experimentally the unusual phenomenon of layer thinning upon heating. Above the bulk Smetic A - Isotropic transition temperature, the film is thinned to a low number of layers as the temperature increases. The temperature of these layer thinning transitions are related to the film thickness by means of a simple power-law. The characteristic exponent, &#956;, measured from experiments using distinct compounds, varies slightly in the range 0.6 < &#956; < 0.8. In this work, we investigate how surface effects modify the order parameter profiles in the vicinity of the Smectic-A-Isotropic (Sm A - I) transition in freestanding liquid crystal films using an extended mean-field approach which allows to incorporate explicitly the anchoring of the surface layers in the effective potential. We observed the contribution of the surface anchoring to the film stability. We found that there is a characteristic surface anchoring above which the bulk layers are less ordered than the surface ones. We also determine the characteristic exponent which governs the transition temperature dependence with the film thickness. We show that the different values of the exponents are related with the ratio between the size of the central rigid portion of the molecules and the typical layer spacing, as well as to the range of film thicknesses investigated. Our results qualitatively reproduce the main experimental findings concerning the layer thinning transitions in free-standing smectic films. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Cristais líquidos exibem uma grande variedade de fases que diferem umas das outras por suas propriedades físicas e estruturais. Próximo a uma transição de fase, estes compostos são bastante sensíveis às interações superficiais apresentando fenômenos interfaciais que são extraodinariamente variados e interessantes. A interação entre as surperfícies limitantes e as moléculas de cristal líquido produz camadas superficiais com propriedades muito diferentes das camadas interiores do filme. Por exemplo, observa-se experimentalmente o fenômeno não-usual da redução de camadas ocasionado pelo aquecimento do filme. Acima da temperatura de transição esmética-A - Isotrópica da porção interior do filme, a amostra é reduzida para um número menor de camadas com o aumento da temperatura. A temperatura dessas transições por redução de camadas se relaciona com a espessura do filme por meio de uma lei de potência simples. O expoente característico, &#956;, medido experimentalmente usando compostos distintos, varia ligeiramente no intervalo 0.6 < &#956; < 0.8. Neste trabalho, investigamos como os efeitos de superfície modificam os perfis dos parâmetros de ordem na vizinhan¸ca da transição Esmética-A-Isotrópica (EsmA- I) em filmes de cristal líquido livremente suspensos, usando uma aproximação de campo médio estendida que permite incorporar explicitamente o ancoramento das camadas superficiais no potencial efetivo. Observamos a contribuição do ancoramento das superfícies para a estabilidade do filme. Encontramos que há um ancoramento superficial característico acima do qual as camadas da porção central do filme são menos ordenadas que as camadas da superfície. Também determinamos o expoente característico que governa a dependência da temperatura de transição com a espessura do filme. Mostramos que os diferentes valores dos expoentes estão relacionados com a razão entre o comprimento da porção central (rígida) das moléculas e o espaçamento típico entre as camadas, bem como com a espessura dos filmes estudados. Nossos resultados reproduzem qualitativamente os principais dados experimentais relacionados com as transições por redução de camadas em filmes esméticos livremente suspensos.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho, os efeitos de um campo magnético oblíquo externo no modelo de Gross- Neveu (2+1)-dimensional, que inclui as componentes paralela e perpendicular do campo em relação ao sistema, são estudados no contexto da simetria quiral e discreta do modelo. Nosso principal interesse está nos efeitos deste campo sobre o diagrama de fase do sistema, onde também incluímos os efeitos combinados de temperatura e potencial químico. Os diagramas de fase são obtidos através do potencial efetivo a 1 loop para o modelo, derivado em primeira ordem na expansão 1=N. Transições de fase relevantes que podem ser estudadas através deste modelo são, por exemplo, metal-isolante em matéria condensada e na teoria quântica de campos de férmions planares em geral. A relação entre a transição de fase com quebra da simetria quiral e discreta e o surgimento de um gap (ou a presença de um valor esperado no vácuo do campo escalar diferente de zero), como função do campo magnético oblíquo, é analisada em detalhes. / In this work, the effects of an external oblique magnetic field in the (2+1)-dimensional Gross-Neveu model, and that therefore includes both parallel and perpendicular components of the applied field, are studied in the context of the models discrete chiral symmetry. Our main concern is in the effects of such a field in the systems phase diagram and that also includes the combined effects of temperature and chemical potential. The phase diagrams are obtained through the one-loop effective potential for the model, derived in the leading order in the 1=N expansion Relevant phase transitions that can be studied through this model are, for example, metal-insulator ones in condensed matter and in the quantum field theory of planar fermions in general. The relation between the phase transition with (discrete) chiral symmetry breaking and the emergence of a gap (or the presence of a chiral nonvanishing vacuum expectation value) in the planar fermionic system, as a function of the external oblique magnetic field, is analyzed in details.

O modelo de Ising dipolar bidimensional inclui, além da interação ferromagnética entre os primeiros vizinhos, interações de longo alcance entre os momentos de dipolo magnético dos spins. A presença da interação dipolar muda completamente o sistema, apresentando um rico diagrama de fase, cujas características têm originado inúmeros estudos na literatura. Além disso, a possibilidade de explicar fenômenos observados em filmes magnéticos ultrafinos, os quais possuem diversas aplicações em àreas tecnológicas, também motiva o estudo deste modelo. O estado fundamental ferromagnético do modelo de Ising puro é alterado para uma série de fases do tipo faixas, as quais consistem em domínios ferromagnéticos de largura $h$ com magnetizações opostas. A largura das faixas depende da razao $\\delta$ das intensidades dos acoplamentos ferromagnético e dipolar. Através de simulações de Monte Carlo e técnicas de repesagem em histogramas múltiplos identificamos as temperaturas críticas de tamanho finito para as transições de fase quando $\\delta=2$, o que corresponde a $h=2$. Calculamos o calor específico e a susceptibilidade do parâmetro de ordem, no intervalo de temperaturas onde as transições são observadas, para diferentes tamanhos de rede. As técnicas de repesagem permitem-nos explorar e identificar máximos distintos nessas funções da temperatura e, desse modo, estimar as temperaturas críticas de tamanho finito com grande precisão. Apresentamos evidências numéricas da existência de uma fase nemática de Ising para tamanhos grandes de rede. Em nossas simulações, observamos esta fase para tamanhos de rede a partir de $L=48$. Para verificar o quanto a interação dipolar de longo alcance afeta as estimativas físicas, nós calculamos o tempo de autocorrelação integrado nas séries temporais da energia. Inferimos daí quão severo é o critical slowing down (decaimento lento crítico) para esse sistema próximo às transições de fase termodinâmicas. Os resultados obtidos utilizando um algoritmo de atualização local foram comparados com os resultados obtidos utilizando o algoritmo multicanônico. / Two-dimensional spin model with nearest-neighbor ferromagnetic interaction and long-range dipolar interactions exhibit a rich phase diagram, whose characteristics have been exploited by several studies in the recent literature. Furthermore, the possibility of explain observed phenomena in ultrathin magnetic films, which have many technological applications, also motivates the study of this model. The presence of dipolar interaction term changes the ferromagnetic ground state expected for the pure Ising model to a series of striped phases, which consist of ferromagnetic domains of width $h$ with opposite magnetization. The width of the stripes depends on the ratio $\\delta$ of the ferromagnetic and dipolar couplings. Monte Carlo simulations and reweighting multiple histograms techniques allow us to identify the finite-size critical temperatures of the phase transitions when $\\delta=2$, which corresponds to $h=2$. We calculate, for different lattice sizes, the specific heat and susceptibility of the order parameter around the transition temperatures by means of reweighting techniques. This allows us to identify in these observables, as functions of temperature, the distinct maxima and thereby to estimate the finite-size critical temperatures with high precision. We present numerical evidence of the existence of a Ising nematic phase for large lattice sizes. Our results show that simulations need to be performed for lattice sizes at least as large as $L=48$ to clearly observe the Ising nematic phase. To access how the long-range dipolar interaction may affect physical estimates we also evaluate the integrated autocorrelation time in energy time series. This allows us to infer how severe is the critical slowing down for this system with long-range interaction and nearby thermodynamic phase transitions. The results obtained using a local update algorithm are compared with results obtained using the multicanonical algorithm.