In this thesis we studied theoretically and numerically dynamics, order and fluctuations in two dimensional active matter with specific reference to the nematic phase in collections of self-driven particles.The aim is to study the ways in which a nonequilibrium steady state with nematic order differs from a thermal equilibrium system of the same spatial symmetry. The models we study are closely related to “flocking”[1], as well as to equations written down to describe the interaction of molecular motors and filaments in a living cell[2,3] and granular nematics [4]. We look at (i) orientational and density fluctuations in the ordered phase, (ii) the way in which density fluctuations evolve in a nematic background, and finally (iii) the coarsening of nematic order and the density field starting from a statistically homogeneous and isotropic initial state. Our work establishes several striking differences between active nematics and their thermal equilibrium counterparts. We studied two-dimensional nonequilibrium active nematics. Two-dimensional nonequilibrium nematic steady states, as found in agitated granular-rod monolayers or films of orientable amoeboid cells, were predicted [5] to have giant number fluctuations, with the standard deviation proportional to the mean. We studied this problem more closely, asking in particular whether the active nematic steady state is intrinsically phase-separated. Our work has close analogy to the work of Das and Barma[6] on particles sliding downhill on fluctuating surfaces, so we looked at a model in which particles were advected passively by the broken-symmetry modes of a nematic, via a rule proposed in [5]. We found that an initially homogeneous distribution of particles on a well-ordered nematic background clumped spontaneously, with domains growing as t1/2, and an apparently finite phase-separation order parameter in the limit of large system size. The density correlation function shows a cusp, indicating that Porod’s Law does not hold here and that the phase-separation is fluctuation-dominated[7]. Dynamics of active particles can be implemented either through microscopic rules as in[8,9]or in a long-wavelength phenomenological approach as in[5]It is important to understand how the two methods are related. The purely phenomenological approach introduces the simplest possible (and generally additive)noise consistent with conservation laws and symmetries. Deriving the long-wavelength equation by explicit coarse-graining of the microscopic rule will in general give additive and multiplicative noise terms, as seen in e.g., in [10]. We carry out such a derivation and obtain coupled fluctuating hydrodynamic equations for the orientational order parameter (polar as well as apolar) and density fields. The nonequilibrium “curvature-induced” current term postulated on symmetry grounds in[5]emerges naturally from this approach. In addition, we find a multiplicative contribution to the noise whose presence should be of importance during coarsening[11]. We studied nonequilibrium phenomena in detail by solving stochastic partial differential equations for apolar objects as obtained from microscopic rules in[8]. As a result of “curvature-induced” currents, the growth of nematic order from an initially isotropic, homogeneous state is shown to be accompanied by a remarkable clumping of the number density around topological defects. The consequent coarsening of both density and nematic order are characterised by cusps in the short-distance behaviour of the correlation functions, a breakdown of Porod’s Law. We identify the origins of this breakdown; in particular, the nature of the noise terms in the equations of motion is shown to play a key role[12]. Lastly we studied an active nematic steady-state, in two space dimensions, keeping track of only the orientational order parameter, and not the density. We apply the Dynamic Renormalization Group to the equations of motion of the order parameter. Our aim is to check whether certain characteristic nonlinearities entering these equations lead to singular renormalizations of the director stiffness coefficients, which would stabilize true long-range order in a two-dimensional active nematic, unlike in its thermal equilibrium counterpart. The nonlinearities are related to those in[13]but free of a constraint that applies at thermal equilibrium. We explore, in particular, the intriguing but ultimately deceptive similarity between a limiting case of our model and the fluctuating Burgers/KPZequation. By contrast with that case, we find that the nonlinearities are marginally irrelevant. This implies in particular that 2-dactive nematics too have only quasi-long-range order[14].

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Nous étudions le modèle O (N) relativiste, une généralisation quantique de la théorie φ⁴ utilisée en physique statistique pour étudier des transitions de phase. Ce modèle décrit certaines transitions de phase quantiques telles que la transition isolant de Mott-superfluide dans un gaz de bosons piégés dans un réseau optique ou la transition paramagnétique-antiferromagnétique dans un aimant. En deux dimensions d’espace, ces systèmes sont fortement corrélés près de la transition. Nous les étudions à l’aide du groupe de renormalisation non perturbatif, une formulation du groupe de renormalisation de Wilson. Nous nous intéressons aux propriétés universelles au voisinage de la transition de phase quantique à température nulle. Ainsi, nous déterminons les fonctions d’échelle universelles qui définissent la thermodynamique et démontrons que ces fonctions sont reliées à celles décrivant la force de Casimir critique dans un système classique tridimensionel. Ensuite, nous étudions le spectre d’excitation dans la phase ordonnée à température nulle. Pour N = 2 et 3, nous établissons l’existence d’un mode d’amplitude aussi appelé « mode de Higgs » par analogie avec le mécanisme de Higgs en physique des hautes énergies. Pour N = 1, nous montrons l’existence d’un état lié pour des dimensions proches de trois. Enfin, nous calculons la dépendance en fréquence de la conductivité à température nulle et confirmons son universalité, en particulier à la transition. Nous établissons que l’une des composantes du tenseur de conductivité dans la phase ordonnée est une quantité « superuniverselle », ne dépendant ni de la distance au point critique ni de N. / We study the relativistic O (N) model, a quantum generalization of the φ⁴ theory used in statistical physics to study some phase transitions. This model describes quantum phase transitions such as the Mott insulator-superluid transition in boson gases trapped in optical latices or the paramagnetic-antiferromagnetic transition in magnets. In two space dimensions, these systems exhibit strong correlations near the transition. We study them using the nonperturbative renormalization group, an implementation of Wilson’s renormalization group. We focus on the universal properties in the vicinity of the zero-temperature quantum phase transition. We determine the universal scaling functions which define the thermodynamics and we show that these functions are related to those describing the critical Casimir forces in a three-dimensional system. Then, we study the excitation spectrum in the zero-temperature ordered phase. For N = 2 and 3, we establish the existence of an amplitude mode, also called “Higgs mode” by analogy with the Higgs mechanism in high-energy physics. For N = 1, we show the existence of a bound state at dimensions close to three. Finally, we compute the frequency-dependent conductivity at zero temperature and confirm its universal character, in particular at the transition. We prove that one of the components of the conductivity tensor in the ordered phase is a “superuniversal” quantity depending neither on the distance to the critical point nor on N.

Neste trabalho é calculada a contribuição de duas impurezas magnéticas ao calor específico e à entropia de um metal através do grupo de renormalização numérico. Tal sistema físico foi descrito pelo modelo Kondo de duas impurezas, onde cada impureza é simplesmente um momento magnético associado a um spin S=1/2, e representa um elétron ocupando um orbital de uma impureza magnética adicionada ao metal não magnético.Para tornar possível o cálculo com malhas de discretização grossas, foi introduzida uma correção no processo de discretização, levando a novas expressões para as energias da banda de condução discretizada e permitindo um melhor tratamento da assimetria partícula-buraco do modelo. Tal assimetria decorre da dependência com a energia do acoplamento entre as impurezas e os elétrons de condução do metal. A utilização de malhas grossas é extremamente desejável para a diminuição do esforço computacional envolvido. / In this work the contribution of two magnetic impurities to the specific heat and the entropy of a metal through the group of numerical renormalization is calculated. Such physical system was described for the Kondo model of two impurities, where each impurity is simply an associated magnetic moment to one spin S=1/2, and represents an electron occupying a orbital one of a magnetic impurity added to the magnetic metal. To not become possible the calculation with thick meshes of discretization, was introduced a correction in the discretization process, having led the new expressions for the energies of the band of discredited conduction and allowing to one better treatment of the asymmetry particle-hole of the model. Such asymmetry elapses of the dependence with the energy of the coupling between the impurities and electrons of conduction of the metal. The use of thick meshes is extremely desirable for the reduction of the involved computational effort.

Neste trabalho estabelecemos o Teorema Central do Limite para o modelo O(N) de Heisenberg hierárquico na criticalidade via equação a derivadas parciais no limite N -> infinito. Por simplicidade consideramos apenas o caso d = 4, sendo o teorema também válido para d > 4. Pelo estudo de uma dada equação a derivadas parciais (EDP) determinamos a temperatura inversa crítica do modelo esférico hierárquico contínuo para um d > 2 qualquer, havendo conexão entre criticalidade e o ponto fixo da EDP. Por meio de uma análise geométrica da trajetória crítica obtemos informações sobre a dinâmica e distribuição dos zeros de Lee-Yang. / In this work we stablish the Central Limit Theorem for the hierarchical O(N) Heisenberg model at criticality via partial differential equation in the limit N -> infinity. For simplicity we only treat the d = 4 case but the theorem is still valid for d > 4. By studying a given partial differential equation (PDE) we determine for any d > 2 the critical inverse temperature of the continuum hierarchical spherical model, and we show a connection between criticality and the fixed point of PDE. By means of a geometric analysis of the critical trajectory we obtain some informations about Lee-Yang zeros´s dynamics and distribution.

Desenvolve-se um novo método de cálculo da probabilidade de adsorção química de átomos incidentes em superfícies metálicas. Introduz-se um modelo teórico de adsorção cujo Hamiltoniano descreve um átomo incidindo normalmente e interagindo com os elétrons da banda de condução de uma superfície metálica. Como interações, são levadas em consideração (1) a possibilidade de transferência de energia cinética e de carga do átomo para o metal e (2) o potencial de carga imagem do átomo ionizado. A solução do modelo consiste em se tratar a parte eletrônica e a nuclear do Hamiltoniano separadamente. A parte eletrônica é tratada com a técnica de grupo de renormalização introduzida por Wilson e a parte nuclear, através da solução numérica da equação de Schrödinger para o movimento nuclear. O acoplamento entre as duas componentes do hamiltoniano é tratado como perturbação à aproximação adiabática. A probabilidade de adsorção é calculada em função da energia cinética do átomo incidente através da regra de ouro de Fermi. Os resultados, mostrando que a probabilidade de adsorção decai rapidamente acima de uma energia cinética característica, são interpretados fisicamente. / A new procedure that calculates sticking coefficients for atomic beams incident upon metallic surfaces is discussed. A model Hamiltonian describing the normal incidence of an ad-atom and its interaction with the conduction electrons of the adsorbate is introduced. The Hamiltonian accounts for two couplings: (1) the overlap between the atomic orbital and the metallic conduction states, allowing charge transfer between incident particle and adsorbate, and (2) the image potential associated with the ionized ad-atom. The electronic and nuclear parts of the model Hamiltonian are diagonalized separately, the former by renormalization group techniques and the second by numerical integration of the Schrödinger equation for the nuclear motion. Through the perturbative treatment, the first order corrections to the adiabatic approximation are presented. The results, showing that the sticking coefficient diminishes rapidly above a characteristic kinetic energy o£ the incident atom, are interpreted.

The study of transport in nano-structured devices and molecular junctions has become a topic of great interest with the recent call for quantum technologies. Most of our knowledge has been guided by experimental and theoretical studies of the single-electron transistor (SET), an elementary device constituted by a quantum dot coupled to two otherwise independent free electron gases. The SET is particularly interesting because its transport properties at low temperatures are governed by the Kondo effect. A methodological difficulty has nonetheless barred theoretical progress in describing accurately realistic devices. On the one hand, Density-Functional Theory (DFT), the most convenient tool to obtain the electronic structure of complex materials, yields only qualitatively descriptions of the low-temperature physical properties of quantum dot devices. On the other hand, a quantitative description of low-temperature transport properties of the SET, such that obtained through the solution of the Anderson model via exact methods, is nonetheless unable to account for realistic features of experimental devices, such as geometry, band structure and electron-electron interactions in the electron gases. DFT describes the electron gases very well, but proves inadequate to treat the electronic correlations introduced by the quantum dot. This thesis proposes a way out of this frustrating dilemma. Our contribution is founded on renormalization-group (RG) concepts. Specifically, we show that, under conditions of experimental interest, the high and low temperatures regimes of a SET corresponds to the weakly-coupling and strongly-coupling fixed points of the Anderson Hamiltonian. Based on an RG analysis, we argue that, at this low-temperature fixed point, the entanglement between impurity and gas-electron spins introduces non-local correlations that lie beyond the reach of local- or quasi-local-density approximations, hence rendering inadequate approximations for the exchange-correlation energy functional. By contrast, the weak-coupling fixed point is within the reach of local-density approximations. With a view to describing realistic properties of quantum dot devices, we therefore propose a hybrid self-consistent procedure that starts with the weak-coupling fixed point and takes advantage of a reliable numerical method to drive the Hamiltonian to the strong-coupling fixed point. Our approach employs traditional DFT to treat the weak-coupling system and the Numerical Renormalization-Group (NRG) method to obtain properties in the strongcoupling regime. As an illustration, we apply the procedure to a single-electron transistor modeled by a generalized one-dimensional Hubbard Hamiltonian. We analyze the thermal dependence of the conductance in the SET and discuss its behavior at low-temperatures, comparing our results with other self-consistent approaches and with experimental data. / O estudo de propriedades de transporte em dispositivos nano estruturados e junções moleculares tornou-se um tópico de grande interesse com a recente demanda por novas tecnologias quânticas. Grande parte do nosso conhecimento tem sido guiado por trabalhos experimentais e teóricos de um dispositivo conhecido como transístor de um elétron (SET), o qual é constituído por um ponto quântico acoplado a dois gases de elétrons independentes. O SET é particularmente interessante devido as suas propriedades de transporte a baixas temperaturas, as quais são governadas pelo efeito Kondo. Uma dificuldade metodológica, no entanto, tem barrado novos avanços teóricos para se obter uma descrição precisa de dispositivos realistas. Por um lado, a teoria do funcional da densidade (DFT), uma das ferramentas mais convenientes para calcular a estrutura eletrônica de materiais complexos, provê uma descrição apenas qualitativa das propriedades de transporte de transístores quânticos a baixas temperaturas. Por outro lado, uma descrição quantitativa satisfatória do SET a baixas temperaturas, tal como a modelagem e solução do modelo de Anderson via métodos exatos, é incapaz de levar em conta características realistas de dispositivos complexos, tal como geometria, estrutura de bandas e interações inter eletrônicas nos gases de elétrons. Embora a DFT os descreva bem, ela é inadequada para tratar correlações introduzidas pelo ponto quântico. Na presente tese propomos uma alternativa para este dilema. Nossa contribuição é fundamentada em conceitos de grupo de renormalização (RG). Especificamente, mostramos que, em condições de interesse experimental, os regimes de altas e baixas temperaturas em um SET correspondem aos pontos fixos de acoplamento fraco e forte do Hamiltoniano de Anderson. Baseando-nos em na análise do RG, mostramos que, no ponto fixo de baixas temperaturas, o emaranhamento entre a impureza e os spins dos gases eletrônicos introduz correlações não-locais que não podem ser descritas com abordagens DFT baseadas em aproximações locais ou quase locais para o potencial de troca e correlação. Em contraste, o ponto fixo de acoplamento fraco pode ser descrito por aproximações locais. Com o objetivo de obter uma descrição realista das propriedades de transístores quânticos, propomos um procedimento auto-consistente que começa do ponto fixo de acoplamento fraco e se aproveita de um método numérico eficiente para levar o Hamiltoniano para o ponto fixo de acoplamento forte. Nossa abordagem emprega DFT para tratar o sistema no limite de acoplamento fraco e o método de Grupo de Renormalização Numérico (NRG) para obter propriedades no regime de acoplamento forte. Como ilustração, aplicamos o procedimento para um transístor de um elétron modelado através do Hamiltoniano de Hubbard generalizado. Analisamos a dependência térmica da condutância no SET discutindo seu comportamento a baixas temperatura e comparamos nossos resultados com outras abordagens auto-consistentes e resultados experimentais.

Consideramos dois tópicos distintos relacionados a modelos clássicos da mecânica estatísticas de equilíbrio. O primeiro constitui-se na análise de equação parabólicas semi-lineares associadas à transformação de grupo de renormalização para o gás de Coulomb hierárquico bidimensional e o gás dipolos hierárquicos em dimensão d>1 após tomarmos um limite apropriado (limite L 1 do tamanho do bloco). O outro tópico estudado foi a construção de uma função majorante (, z) para a pressão termodinâmica de um gás formado por partículas interagentes com atividade z e temperatura -1, cuja interação entre dois corpos pode ser decomposta em escalas como um potencial estável. Somos capazes de demonstrar que o problema de valor inicial dado pela equação do gás de Coulomb está bem definido (existência, unicidade e dependência contínua das soluções) em um espaço funcional adequado e a solução converge assintoticamente para uma das infinitas contáveis soluções de equilíbrio. Quanto ao gás de dipolos, embora não tenhamos conseguido provar a existência e unicidade das soluções, garantimos que a única solução estacionária limitada inferiormente é a trivial nula, que é uma solução estável. Ao menos no caso dos modelos hierárquicos, os resultados obtidos permitem dar uma resposta definitiva à conjectura de Gallavotti e Nicolò sobre uma sequência infinita de transições de fase. A função majorante é construída como a solução de uma equação diferencial parcial quase-linear de primeira ordem. Através da do método das características relacionamos a solução (majorante) à função W de Lambert cuja expansão em série possui uma singularidade originada pelo corte que a função W possui no plano complexo. A descrição da função majorante como uma função W possui no plano complexo. A descrição da função majorante como uma função W permite uma melhora nas estimativas de raio de convergência para série de Mayer para pressão. / We have considered in this thesis two distinct topics related to classic models in equilibrium statistical mechanics. The first one is the analysis of semilinear parabolic partial differential equations given by a suitable limit (size of block L 1) in the renormalization group for the dipole gas in any dimension d>1. The other topic is the construction of a majorant function (, z) for the thermodynamic -1 whose potential admits a scale decomposition in terms of some stable potential. We are capable to demonstrate the well-posedness (existence, uniqueness and continuous dependence of solutions) for Coulomb gas equations and the global asymptotic convergence of the flow to one of its countably many equilibrium solutions. The dipole gas equations are technically more difficult and lack the results weve achieved in Coulomb gas but, despite its difficulties, we can establish the uniqueness of the trivial solution as a equilibrium ane and its stabilish. At least for hierarchical models, the established results give a definite answer to Gallovotti and Niclolòs conjecture of na infinite of phase transitions. The majorant function is constructed as the solution of a first order quase-linear partial differential equation. By means of the characteristics method we are able to relate its solution (the majorant) to Lamberts W-function whose series expansion possess a singularity given by W-function allows better estimates for Mayer series convergence.

A passagem progressiva de estados de Landau bidimensional (2D) para estados tridimensional (3D) foi estudada em Poços Quânticos Parabólicos (PQW) largos (W = 1000 6000 Å). Utilizou-se como técnica de transporte medidas da magnetoresistência em campo magnético intenso (B = 0 15 T) e inclinado ( = 0 90°; perpendicular paralelo), a baixas temperaturas (T = 50 mK). Observou-se, através da dependência angular das oscilações de Shubnikov de Haas ( = 0 90°), em PQWs cheios, várias sub-bandas ocupadas (5 a 8), a coexistência de estados de Landau 2D e 3D, sendo o gás 3D formado pelo colapso das sub-bandas elevadas, e o gás 2D pertencendo à primeira sub-banda. Através de cálculos do alargamento dos níveis de Landau devido ao espalhamento elástico ( = /2 , onde é o tempo quântico) e de cálculos auto-consistentes da energia de separação entre sub-bandas do PQW (ij = Ej Ei; e 12=12/2), obtiveram-se as condições 2 j-1,j para as sub-bandas elevadas j = 3,4,..., corroborando com as observações experimentais da coexistência de estados de Landau 2D e 3D no poço. Em PQWs parcialmente cheios, com apenas 2 sub-bandas ocupadas, observou-se, através do efeito do anticruzamento de níveis de Landau, de medidas da dependência angular da energia de ativação no regime de efeito Hall quântico, e de comparações com resultados de cálculos da estrutura eletrônica de PQWs em campo magnético inclinado, a coexistência de estados de Landau 2D e 3D, ocorrendo somente em campos intensos e com inclinação acentuada ( = 80 90°). Esta coexistência é diferente da mencionada anteriormente, quando od estados de Landau 3D são observados já em campo perpendicular. / The gradual progress, or evolution, of the two-dimensional (2D) toward three-dimensional (3D) Landau states was studied in wide parabolic quantum Wells (W = 1000 6000 Å). As transport technique, we used measurements of the magnetoresistence in intense (B = 0 15 T) and tilted ( = 0 90°; perpendicular parallel) magnetic Field at low temperature (T = 50 Mk). We observed in PQWs with Five to eight sub-bands occupied full well the coexistence of the 2D and 3D Landau states, through the angular dependence of the Shubnikov de Hass oscillation ( = 0 90°), where the 2D states belong to the lowest sub-band and the 3D states are formed by overlap of the other sub-bands. We calculated the level broadening due to the elastic scattering rate ( = /2 , where is the quantum time), and the energy separation between sub-bands (ij = Ej Ei; e 12=12/2). We obtained 2 j-1,j to j=3,4,... . This confirms the experimental observations of the coexistence of the 2D and 3D states in the well. We also measured PQWs partially full 2 sub-bands occupied. Experiments revel anticrossing of the Landau level (LL) belonging to the lowest sub-band and the last LL belonging to the second sub-band. Such antisrossuing occurs due to a decrease of the energy of the LL with tilt angle. This observation was supported by measurements of the angular dependence of the activation energy in the quantum Hall regime. In these measurements, we also observed the coexistence of the 2D and 3D Landau states. However, the coexistence only occurs at large tilt angles ( = 80 90°). Thus, it is different from the coexistence above mentioned, when 3D Landau states are observed already in the perpendicular magnetic field.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-06-08T15:27:56Z No. of bitstreams: 1 polianedemoraisteixeira.pdf: 833138 bytes, checksum: 6826a43bfd3baaedb0691bb15c3c425e (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-06-26T19:06:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 polianedemoraisteixeira.pdf: 833138 bytes, checksum: 6826a43bfd3baaedb0691bb15c3c425e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-26T19:06:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 polianedemoraisteixeira.pdf: 833138 bytes, checksum: 6826a43bfd3baaedb0691bb15c3c425e (MD5) Previous issue date: 2016-02-17 / Nessa tese, exploramos diferentes aspectos do grupo de renormalização (GR) em Gravitação Quântica. Especificamente, estudamos o GR aplicado a três diferentes modelos. Começamos por estudar o GR on-shell usando para isso o modelo de gravidade com torção proposto por Cartan, fizemos o tratamento quântico dessa teoria. Em seguida, mostramos em detalhes os cálculos do estudo da teoria semiclássica usando para isso o método da renormalização física, baseada na subtração de momentos. Nesta parte nós damos os detalhes da derivação dos fatores de forma gravitacionais, usando o método do heat kernel para três teorias massivas: campo escalar, campo vetorial e campo fermiônico. O que nos leva ao análogo gravitacional do teorema de desacoplamento de Appelquist e Carazzone. Nessa parte apenas refizemos os cálculos já desenvolvidos em um artigo de Gorbar e Shapiro, mas agora em detalhes minuciosos para cada etapa calculada. E na última parte, uma análise do grupo funcional de renormalização (GFR) foi feita, aplicando essa técnica também ao modelo de gravidade semiclássica, onde a teoria abordada foi a de um campo escalar com acoplamento não-mínimo no espaço-tempo curvo. / On this thesis, we explored differents aspects of the renormalization group (RG) in Quantum Gravity. Specifically, we studied the RG applied to three differents models. We began studying the RG on-shell and we used for that the model of gravity with torsion proposed by Cartan, we made the quantum treatment of this theory. Then, we showed in details the calculations of the study of semi-classical theory, using for that, the method of physical renormalization, based on the momentum subtraction. On this part, we gave the details of the derivation of gravitational form factors, using the method of the heat kernel for three massive theories: scalar field, vector field and fermionic field which leads us to the gravitational analogue of the decoupling theorem from Appelquist and Carazzone. In this part, we just remade the calculations already undertaken in a paper by Gorbar and Shapiro, but now in minute details for each step calculated. On the last part, an analysis of the functional renormalization group (FRG) was made, applying this technique also to the model of semiclassical gravity, where the theory addressed was a theory with a scalar field with non-minimal coupling in curved spacetime.