▼ Resumo: A Identidade de Feynman relaciona certos tipos de gráficos e caminhos fechados sobre uma rede quadrada. Inicialmente conjecturada por Feynman, esta relação é importante no cálculo da função de partição do Modelo de Ising dentro da chamada formulação combinatorial do modelo. Nesta tese um caso particular e não trivial desta identidade é investigado. Neste caso, a rede tem apenas um vértice e R arestas com todas as extremidades ligadas a ele. A existência da identidade neste caso é provada e alguns problemas até então em aberto sobre ele são resolvidos; Abstract: Feynman identity relates certain types of graphs with closed paths over a squared lattice. Originally conjectured by Feynman, this identity is a important. element in the combinatorial formulation of the Ising Model and in the computation of the partition function of the model within this formulation. In this Thesis a particular but nontrivial case of the identity is investigated. In this case, the lattice has only one site and R edges linked to it. The existence of the identity in this case is proved and some open problems related with it are solved. Advisors/Committee Members: Costa, Gustavo Adolfo Torres Fernandes da (advisor), Marchetti, Domingos Humberto Urbano (committee member), Filho, Jose Bellandi (committee member).

▼ Funções cerebrais decorrem da interação de um grande número de neurônios. Sendo o cérebro um sistema não linear e complexo, a obtenção de modelos que descrevam adequadamente o comportamento coletivo de circuitos neurais não é uma tarefa trivial. Uma das hipóteses que vem ganhando destaque na literatura é a de que a dinâmica do cérebro se encontra próxima a um ponto crítico. Alguns trabalhos mostraram que modelos de máxima entropia que levam em conta apenas a interação por pares (modelos tipo Ising) eram capazes explicar padrões de atividade global em dados de retina de invertebrados e fatias de córtex in vitro. Além disso estes modelos permitem obter assinaturas de criticalidade nas redes neurais estudadas. Nesta dissertação, realizamos experimentos in vivo onde registramos longos períodos da atividade cortical espontânea de ratos anestesiados. Os registros foram feitos utilizando tanto matrizes de multieletrodos de fios de tungstênio quanto eletrodos de silício de alta densidade (silicon probes). Implementamos um algoritmo para ajustar um modelo de máxima entropia que leva em conta a interação por pares entre os elementos do modelo e validamos o algoritmo com dados simulados. Finalmente apresentamos os resultados utilizando o modelo de máxima entropia para analisar os dados experimentais medidos com ambos os tipos de eletrodos. Advisors/Committee Members: CARELLI, Pedro Valadão (advisor), http://lattes.cnpq.br/0869469262114149 (advisor).

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Esta tesis está enfocada en el estudio de los modelos de Ising y Heisenberg (clásico) para el ferromagnetismo, la teoría de transiciones de fase y el método de Monte Carlo como esquema computacional eficiente para tratar este tipo de sistemas fuertemente interactivos. Con la ayuda de dicho método se realizaron simulaciones computacionales de los modelos mencionados en 2 y 3 dimensiones (2D y 3D) para poder comparar dichos resultados con las predicciones de algunos modelos teóricos. Se indica el método seguido para modelar estos sistemas, el proceso para construir los diagramas de fase de las principales cantidades termodinámicas de interés (magnetización media, energía interna, capacidad calorífica, susceptibilidad magnética) y se analiza el comportamiento de las mismas en una vecindad del punto crítico. Adicionalmente se realiza un análisis cuantitativo de los datos obtenidos en la zona critica para calcular los correspondientes exponentes críticos (_; _; y _) y probar el fenómeno de universalidad de los mismos para diferentes tipos de estructura cristalina (caso 3D) y para los 2 modelos citados (Ising y Heisenberg). Se incluyen además los programas escritos en C++ que fueron construidos con el objetivo de realizar las simulaciones respectivas. Palabras clave: modelos de Ising y Heisenberg, ferromagnetismo, transiciones de fase, método de Monte Carlo, punto crítico, exponentes críticos, universalidad.

The present thesis is focused on the study of the models of Ising and Heisenberg (classical) for ferromagnetism, the theory of phase transitions and the Monte Carlo method as an efficient computational scheme for dealing with these kinds of strongly interacting systems. With the aid of this method, computational simulations were performed for the above mentioned models in 2 and 3 dimensions (2D and 3D) in order to compare these results with the predictions of some theoretical models. The method followed to model these systems is indicated as well as the process for constructing phase diagrams for the main thermodynamic quantities of interest (mean magnetization, mean energy, specific heat, magnetic susceptibility) and their behavior in a vicinity of the critical point is analyzed. Furthermore, a quantitative analysis is carried out to calculate the corresponding critical exponents (_; _; and _) and to prove the phenomenon of universality they fulfill for different types of crystalline structure (3D case) and for the 2 models previously cited (Ising and Heisenberg). The programs written down in C++ that were constructed with the aim of performing the respective simulations are also included. Keywords: models of Ising and Heisenberg, ferromagnetism, phase transitions, Monte Carlo method, critical point, critical exponents, universality.

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Neste trabalho investigamos os efeitos de diluição e frustração nas propriedades termodinâmicas e os diagramas de fase nos modelos de Heisenberg e Ising quase-bidimensional. Usamos o formalismo das funções de Green de Zubarev e obtivemos as propriedades magnéticas do modelo de Heisenberg antiferromagnético quasebidimensional de spin . Determinamos o limite de estabilidade da fase antiferromagnética em função da concentração dos buracos no plano CuO2 e da diluição do Cu pelo Zn. Simulamos o ponto de máximo do diagrama de fase no plano (T,z) previsto experimentalmente para o composto La2-xSrxCu1-zZnzO4. No modelo de Heisenberg o efeito da frustração é simulado pelo parâmetro λ=λ0(1-x/xc), medindo a interação entre os planos de CuO2. O efeito da diluição que está presente no plano xy é teoricamente descrito fenomenologicamente para pequeno valor de z através de uma interação efetiva J(1-z) (aproximação tipo campo médio). Estendemos o presente formalismo para incluir interação de longo alcance no modelo de Heisenberg unidimensional antiferromagnético frustrado e verificamos ausência de ordem magnética para p >1 (onde p é o parâmetro do decaimento da interação, i.e., Jn = J/np). Estudamos também as propriedades termodinâmicas do modelo de Ising diluído decorado de forma quenched com interações competitivas através da técnica do operador diferencial unida à teoria de campo efetivo. O modelo de Ising decorado com interações competitivas é utilizado para descrever qualitativamente as propriedades termodinâmicas dos compostos supercondutores baseados em planos de cobre-oxigênio na sua fase isolante (antiferromagnética). O modelo consiste de planos nos quais os spins nodais interagem antiferromagneticamente (JA <0) com seus primeiros vizinhos (simulando a interação Cu-Cu), e ferromagneticamente (JF >0) com os spins decoradores (simulando a interação Cu-O), os quais são distribuídos aleatoriamente de forma quenched sobre uma rede bidimensional. Os planos interagem antiferromagneticamente com uma fraca interação de troca (i.e., J A = λJA, λ = 10-5). Além disso, em nosso modelo alguns sítios magnéticos (átomos de Cu) são substituídos por sítios não magnéticos. Discutimos além das propriedades termodinâmicas do sistema o limite de estabilidade antiferromagnética nos diagramas de fase (T,p) e (T,z), para vários valores do parâmetro de frustração (α = JA\JF) e campo magnético. Observamos que certos intervalos de valores de α, o sistema apresenta um comportamento reentrante em baixas temperaturas o que se reflete nas propriedades termodinâmicas.

In this work, we investigate the effect of dilution and frustration in the thermodynamic properties and the phase diagrams using the quasi-two-dimensional Heisenberg and Ising models. We use the Zubarev Greens function formalism and obtain the magnetic properties of the quasi-two-dimensional antiferromagnetic spin Heisenberg model. We determine the limit of the stability of the antiferromagnetic phase as a function of the concentration of the holes in the CuO2…

Advisors/Committee Members: José Ricardo de Souza.

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A teoria de redes complexas se consolidou nos últimos anos, graças ao seu potencial como ferramenta versátil no estudo de diversos sistemas discretos. É possível enumerar aplicações em áreas tão distintas como engenharia, sociologia, computação, linguística e biologia. Tem merecido atenção, por exemplo, o estudo da organização estrutural do cérebro, tanto em nível microscópico (em nível de neurônios) como regional (regiões corticais). Acredita-se que tal organização visa otimizar a dinâmica, favorecendo processos como sincronização e processamento paralelo. Estrutura e funcionamento, portanto, estão relacionados. Tal relação é abordada pela teoria de redes complexas nos mais diversos sistemas, sendo possivelmente seu principal objeto de estudo. Neste trabalho exploramos as relações entre aspectos estruturais de redes neuronais e corticais e a atividade nas mesmas. Especificamente, estudamos como a interconectividade entre o córtex e o tálamo pode interferir em estados de ativação do último, considerando-se o sistema tálamo-cortical do gato bem como alguns modelos para geração de rede encontrados na literatura. Também abordamos a relação entre a morfologia individual de neurônios e a conectividade em redes neuronais, e consequentemente o impacto da forma neuronal em dinâmicas atuando sobre tais redes e a eficiência das mesmas no transporte de informação. Como tal eficiência pode ter como consequência a facilitação de processos maléficos às redes, como por exemplo, ataques causados por vírus neurotrópicos, também exploramos possíveis correlações entre características individuais dos elementos que formam as redes complexas e danos causados por processos infecciosos iniciados nos mesmos.

Complex network theory has been consolidated along the last years, owing to its potential as a versatile framework for the study of diverse discrete systems. It is possible to enumerate applications in fields as distinct as Engineering, Sociology, Computing, Linguistics and Biology, to name a few. For instance, the study of the structural organization of the brain at the microscopic level (neurons), as well as at regional level (cortical areas), has deserved attention. It is believed that such organization aims at optimizing the dynamics, supporting processes like synchronization and parallel processing. Structure and functioning are thus interrelated. Such relation has been addressed by complex network theory in diverse systems, possibly being its main subject. In this thesis we explore the relations between structural aspects and the activity in cortical and neuronal networks. Specifically, we study how the interconnectivity between the cortex and thalamus can interfere in activation states of the latter, taking into consideration the thalamocortical system of the cat, along with networks generated through models found in literature. We also address the relation between the individual morphology of the neurons and the connectivity in neuronal networks, and consequently the effect of the neuronal shape on dynamic processes actuating…

Advisors/Committee Members: Costa, Luciano da Fontoura, Taraskin, Sergei.

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Domínios formados durante a evolução de misturas possuem grande importância tanto teórica quanto experimental. Diversos estudos das propriedades de crescimento de domínios podem ser vistos no contexto de espumas, tecidos celulares, domínios magnéticos, supercondutores, absorção de átomos em superfícies, etc. Particularmente, na ciência metalúrgica e de superfícies, entender a forma* das microestruturas policristalinas e suas respectivas evoluções temporais e importante na determinação das propriedades do material. 0 modelo de Potts permite representar a estrutura multicelular dos sistemas mencionados e, por esta razão, e muito empregado em seus estudos. Nesta tese apresentamos os resultados do estudo do ordenamento de fases dinâmico do modelo de Potts puro e com desordem ferromagnética fraca, do ponto de vista geométrico, através de simulações computacionais. Basicamente, estudamos a distribuição das áreas dos hulls do modelo com q > 2 estudos, apos ser submetido a um súbito resfriamento a partir da fase de alta temperatura (paramagnética) para dentro da fase ordenada (ferromagnética). Nesta fase, domínios com diferentes orientações se formam devido à intensidade das interações locais. A evolução temporal de cada domínio e regida basicamente pela curvatura da interface e a lei de crescimento depende, em geral, de fatores como a conservação (ou não) do parâmetro de ordem, da presença de desordem e da dimensão do parâmetro de ordem. lima vez que a solução analítica para a distribuição das áreas dos hulls obtida para o modelo de Ising (q = 2) não pode ser facilmente extrapolada para o modelo de Potts corn q > 2, nossa analise e baseada em simulações numéricas. Surpreendentemente, alguns resultados permanecem validos (como por exemplo, quando a transição e continua e o sistema esta equilibrado em T, antes do quench). Além das distribuições das áreas dos hulls para vários valores de q e diferentes condições iniciais, apresentamos uma visão geral, geométrica, do processo de crescimento de domínios no modelo de Potts, tanto para o modelo puro quanto na presença de desordem ferromagnética.

Domains formed during the evolution of mixtures are of both theoretical and technological importance, applications including foams, cellular tissues, superconductors, magnetic domains, adsorbed atoms on surfaces, etc. In particular, in metallurgy and surface science, understanding the formation of the polycrystalline microstructure, and its time evolution are important in determining the material properties. The Potts model, being able to represent the multicellular structure of these systems, is widely used in their study. In this thesis we present results for the phase ordering dynamics of the Potts model with and without weak quenched disorder, from a geometrical point of view, through computer simulations. Basically we studied the hull-enclosed area distributions of the model with q > 2 states, after a sudden quench from the high temperature phase (paramagnetic) into the ordered phase (ferromagnetic). In this phase, domains with…

Advisors/Committee Members: Arenzon, Jeferson Jacob.

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O conceito de heterogeneidade de tamanhos de domínios (Heq), definido como o número de tamanhos distintos de domínios existentes em determinada configuração de um sistema, foi recentemente introduzido no contexto do modelo de percolação explosiva. Além de introduzir um novo expoente de escala, o mesmo se mostrou útil em outros problemas da mecânica estatística de equilíbrio, como o de percolação aleatória, bem como nos modelos de Ising e Potts. Neste trabalho, aplicamos e medimos esta quantidade em situações fora do equilíbrio. Em particular, após submetermos os modelos de Ising e Potts a um súbito resfriamento, a partir de um estado de equilíbrio de alta temperatura, para uma temperatura crítica ou subcrítica, T > Tc, medimos a evolução temporal de H(t). Mostramos que o comportamento para tempos grandes é uma lei de potência com expoentes diferentes para os casos crítico e subcrítico. Adicionalmente, o comportamento para tempos pequenos apresenta ainda um máximo no valor de H(t), quando a temperatura inicial é T0 → Ѡ. Apresentamos um extenso conjunto de dados de simulação que apoiam essas conclusões e discutimos perspectivas futuras, com o objetivo de tentar compreender melhor o comportamento de H(t).

The concept of domain size heterogeneity (Heq), the number of distinct domain sizes occurring in a given con guration, was recently introduced in the context of explosive percolation. Besides introducing a new scaling exponent, it was shown to be useful in other classical equilibrium statistical mechanics problems, like random percolation, and the Ising and Potts models. Here we apply and measure this quantity for out of equilibrium situations. In particular, after quenching the Ising and Potts models from a high temperature equilibrium state, T > Tc, to a critical or subcritical temperature, T Tc, we measure the time evolution of H(t). We show that the long time behavior is power law with di erent exponents for critical and subcritical coarsening. Moreover, the short time behavior also presents a surprising maximum of H(t) when the initial temperature is T0 → Ѡ. We present extensive simulation data supporting these conclusions and discuss future perspectives, in order to help understand the overall behavior of H(t).

Advisors/Committee Members: Arenzon, Jeferson Jacob.

▼ Apresentamos uma solução alternativa para a cadeia de Isingna presença de campo comcondições de contorno aberta e periódica, nos ensembles microcanônico e canônico, a partirde uma perspectiva combinatória e topológica unificada. Em particular, o cálculo da entropiacomo função da energia revela um valor residual para campos críticos, um fenômeno para oqual fornecemos uma interpretação topológica e uma conexãocom a sequência de Fibonacci. Afunção de partição canônica é identificada como a função geradora combinatorial do problemamicrocanônico. Uma análise detalhada da termodinâmica comvariação do campo magnético,incluindo temperaturas positivas e negativas, revela características interessantes. Por fim, nósenfatizamos que nossa abordagem combinatória para o ensemble canônico é útil no cálculo ex-ato do valor médio da característica de Euler associada com as configurações de spin da cadeia,a qual é descontínua nos referidos campos críticos, e cujo comportamento com a temperaturaé esperado estar associado com o comportamento crítico da cadeia. De fato, nossos resultadosmostram que uma conjectura proposta também é válida para a cadeia de Ising:χ(TC) =0, ondeTC=0 é a temperatura crítica. Advisors/Committee Members: FILHO, Maurício Domingues Coutinho (advisor), http://lattes.cnpq.br/4862700714316793 (advisor).

▼ Resumo: A descrição da dinâmica quântica de sistemas de muitos corpos é um ingrediente chave para a computação quântica. No presente projeto, propomos o estudo da dinâmica em cadeias finitas de spin 1/2 na presença de impurezas ou defeitos. O modelo adotado será o de Ising quântico com campo transverso, do qual é possível obter o espectro de forma exata na presença de uma impureza. A dinâmica do sistema é movida exclusivamente por flutuações quânticas, cuja origem é o Princípio da Incerteza. Investigamos a relaxação de estados iniciais caracterizados por uma magnetização espacialmente não homogênea e que não possuam hipóteses sobre a proximidade com o estado de equilíbrio. Dessa forma, a matriz densidade inicial será dependente apenas de uma única coordenada espacial. A investigação então é realizada através da grandeza de interesse, a saber, a evolução temporal do valor médio das componentes de Fourier da magnetização, (SzQ)t. Soluções exatas, tanto analíticas quanto numéricas, são obtidas. Um dos objetivos iniciais deste trabalho consiste na busca de processos de relaxação lentos. Para os casos de solução analítica (impurezas periódica e antiperiódica) observamos relaxações oscilatórias e amortecidas por uma lei de potência no tempo do tipo (t/tQ)-vQ, onde tQ e vQ são dois parâmetros livres e Q é o número de onda associado a cada componente de Fourier. Há uma criticalidade no expoente vQ, o qual muda de 3/2 para 1/2 para certos valores de Q críticos. Por outro lado, para os casos de solução numérica (impurezas arbitrárias), os processos de relaxação são distintos daqueles citados acima. Os estados iniciais analisados são do tipo produto direto ferromagnético com um único spin virado, próximo ou distante da impureza. Neste caso, as evoluções temporais oscilam em torno deum valor médio não nulo e há uma larga faixa de valores de Q na qual os modos não se extinguem completamente; Abstract: The description of many body systems quantum dynamics is a key ingredient for quantum computation. In the present project we study finite spin-1/2 chains dynamic properties in the presence of impurities or defects. We adopt the quantum Ising model with transverse field, of which it is possible to obtain the energy spectrum by exact calculations in the presence of one impurity. The system dynamics is driven exclusively by quantum fluctuations, whose origin is the Uncertainty Principle. We investigate the relaxation of initial states characterized by spatially inhomogeneous magnetization without any hypothesis about the proximity with the equilibrium state. Thus, the initial density matrix will be dependent of only one spatial coordinate. The investigation then is realized through the temporal evolution of the magnetization's Fourier components. Exact solutions, analytical and numerical, are obtained. One of the goals of this work consist in the search of slow relaxation processes. For the analytical cases (periodic and anti-periodic impurities) we observe oscillatory relaxations with a decay given by a power law in time (t/tQ)-vQ,… Advisors/Committee Members: Cabrera Oyarzún, Guillermo Gerardo, 1948- (advisor), Oyarzún, Guillermo Gerardo Cabrera, 1948- (advisor), Arruda, Alberto Sebastiao de (committee member), Pagliuso, Pascoal José Giglio (committee member).

▼ Resumo: Na física da materia condensada, o estudo de sistemas de eletrons fortemente correlacionados é, com certeza, um dos problemas mais interessantes tanto do ponto de vista experimental como teórico, e são estes materiais que tem sido utilizados recentemente em aplicações tecnológicas. Destes compostos, os multiferroicos apresentam um conjunto de propriedades físicas muito rico. Estes materiais apresentam pelo menos duas das seguintes correlações de longo alcance: (anti)ferromagnetismo, ferroelasticidade e ferroeletricidade. Porém, as transições não precisam ser necessariamente correlacionadas, mas quando são, estas ocorrem simultaneamente, e o efeito magnetoelétrico pode ser induzido por campo. Neste trabalho, foram desenvolvidos cálculos numéricos que simulam o acoplamento magnetoelétrico presente nos multiferróicos minimizando a energia através da técnica de Monte Carlo. Foram desenvolvidos dois modelos muito simples. O primeiro modelo acopla uma rede de Ising 2D com spin 1/2 com uma rede de dipolos elétricos tambem 2D; este acoplamento e tal que a mudança de direção de um dado spin reorienta uma dada componente perpendicular do dipolo elétrico vizinho a este mesmo spin. Assim, para este primeiro modelo, as transições de fase das redes elétrica e magnetica ocorrem na mesma temperatura, sendo o hamiltoniano dependente de três parâmetros. Para o segundo modelo, foram utilizadas novamente duas redes, uma rede de Ising 2D com spin 1/2, e uma rede elétrica que se comporta da mesma maneira que uma rede de Ising 2D. Neste caso, o acoplamento entre o spin e o dipolo eletrico ocorre através de um sistema de dois níveis, gerando a possibilidade de temperaturas de transição independentes para as duas redes. Este segundo modelo tambem depende de três parâmetros; Abstract: In condensed matter physics, the study of strongly correlated electron systems is certainly one of the most interesting problems both from the experimental and the theoretical points of view, also these materials recently being used in technological applications. Among these compounds, the multiferroics show a very rich set of physical properties. These materials have at least two of the following long-range correlations: (anti)ferromagnetism, ferroelasticity and ferroelectricity. However, the transitions need not necessarily to be correlated, but when it happens, they occur simultaneously, and the magnetoelectric effect can be induced by field. In this work, numerical calculations have been developed to simulate the magnetoelectric coupling present in the multiferroics minimizing the energy through Monte Carlo technique. Two simple models have been developed. The first model couples a spin 1/2 2D Ising magnetic lattice with to a 2D lattice of classic electric dipoles; this coupling is such that the change in the spin direction reorients a perpendicular component of the electric dipole neighbor of this same spin. Therefore, for this first model, the phase transitions of the magnetic and electric lattices occur at the same temperature, and the… Advisors/Committee Members: Barberis, Gaston Eduardo, 1941- (advisor), Pagliuso, Pascoal José Giglio, 1971- (advisor), Continentino, Mucio Amado (committee member), Antonelli, Alex (committee member).

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The main objective of the present thesis is to investigate: What are the properties of the Ising and Potts model coupled to a CDT emsemble? For that objective, we used two methods: (1) transfer matrix formalism and Krein-Rutman theory. (2) FK representation of the q -state Potts model on CDTs and dual CDTs. Transfer matrix formalism permite us to obtain spectral properties of the transfer matrix using the Krein-Rutman theorem [KR48] on operators preserving the cone of positive func- tions. This yields results on convergence and asymptotic properties of the partition function and the Gibbs measure and allows us to determine regions in the parameter quarter-plane where the free energy converges. Second methods permite us to determine a region in the quadrant of parameters , > 0 where the critical curve for the classical model can be located. We also provide lower and upper bounds for the innite-volume free energy. Finally, using arguments of duality on graph theory and hight-T expansion we study the Potts model coupled to CDTs. This approach permite us to improve the results obtained for Ising model and obtain lower and upper bounds for the critical curve and free energy. Moreover, we obtain an approximation of the maximal eigenvalue of the transfer matrix at lower temperature.

O objetivo principal da presente tese é pesquisar : Quais são as propriedades do modelo de Ising e Potts acoplado ao emsemble de CDT? Para estudar o modelo usamos dois métodos: (1) Matriz de transferência e Teorema de Krein-Rutman. (2) Representação FK para o modelo de Potts sobre CDT e dual de CDT. Matriz de transferência permite obter propriedades espectrais da Matriz de transferência utilizando o Teorema de Krein-Rutman [KR48] sobre operadores que conservam o cone de funções positivas. Também obtemos propriedades asintóticas da função de partição e das medidas de Gibbs. Esses propriedades permitem obter uma região onde a energia livre converge. O segundo método permite obter uma região onde a curva crítica do modelo pode estar localizada. Além disso, também obtemos uma cota superior e inferior para a energia livre a volume infinito. Finalmente, utilizando argumentos de dualidade em grafos e expansão em alta temperatura estudamos o modelo de Potts acoplado as triangulações causais. Essa abordagem permite generalizar o modelo, melhorar os resultados obtidos para o modelo de Ising e obter novas cotas, superior e inferior, para a energia livre e para a curva crítica. Além disso, obtemos uma aproximação do autovalor maximal do operador de transferência a baixa temperatura.

Advisors/Committee Members: Iambartsev, Anatoli, Soukhov, Iouri Mikhailovich.

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The ferromagnetic and antiferromagnetic Ising model on a two dimensional inhomogeneous lattice characterized by two exchange constants (J1 and J2) is investigated. The lattice allows, in a continuous manner, the interpolation between the uniforme square (J2 = 0) and triangular (J2 = J1) lattices. By performing Monte Carlo simulation using the sequential Metropolis algorithm, we calculate the magnetization and the magnetic susceptibility on lattices of differents sizes. Applying the finite size scaling method through a data colappse, we obtained the critical temperatures as well as the critical exponents of the model for several values of the parameter α = J2 J1 in the [0, 1] range. The ferromagnetic case shows a linear increasing behavior of the critical temperature Tc for increasing values of α. Inwhich concerns the antiferromagnetic system, we observe a linear (decreasing) behavior of Tc, only for small values of α; in the range [0.6, 1], where frustrations effects are more pronunciated, the critical temperature Tc decays more quickly, possibly in a non-linear way, to the limiting value Tc = 0, cor-responding to the homogeneous fully frustrated antiferromagnetic triangular case.

Investigamos o diagrama de fases do modelo de Ising, com interações feromagnéticas e antiferromagnéticas, emuma rede bidimensional inomogênea caracterizada por duas constantes de troca (J1 e J2), a qual permite interpolar contínuamente as redes quadrada (J2 = 0) e triangular (J2 = J1) uniformes. Utilizando o método de simulação de Monte Carlo, através da dinâmica deMetropolis aplicada de forma seqüencial, calculamos a magnetização e a susceptibilidade para redes de diversos tamanhos e aplicando técnicas de escalonamento para tamanhos finitos obtemos, através de um colapso de dados, valores para a temperatura crítica e expoentes críticos em função do parâmetro α = J2 J1, contido no intervalo [0, 1]. No caso ferromagnético observamos que a temperatura crítica Tc cresce linearmente com α em todo o intervalo de variação deste parâmetro, enquanto no caso antiferromagnético, o comportamento linear (decrescente) de Tc é observado somente para pequenos valores de α; no intervalo [0.6, 1], onde os efeitos de frustração são mais pronunciados, a temperatura crítica sofre uma redução mais significativa, possivelmente não linear, para seu valor limite Tc = 0, que corresponde à rede triangular homogênea, antiferromagnética, completamente frustrada.

Advisors/Committee Members: Ananias Monteiro Mariz, Fernando Dantas Nobre, Adriano de Oliveira Souza.

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Neste trabalho estudamos alguns modelos estocásticos reversíveis e irreversíveis por meio de varias técnicas que incluem expansões em serie, simulações numéricas e métodos analíticos. Primeiramente, construímos uma expansão supercrítica para a densidade do processo de contato em uma dimensão, que fornece a taxa crítica e o expoente crítico pelo método de aproximantes de Pad´e. Depois, examinamos um modelo de pilha de areia com restrição de altura assimétrico que apresenta fluxo de partículas não-nulo no estado estacionário e suas propriedades criticas são determinadas em função do parâmetro de assimetria p. Finalmente, estudamos de forma analítica o modelo de Glauber linear, que é idêntico, em uma dimensão, ao modelo de Glauber. Em qualquer numero de dimensões, e possível obter uma expressão para a susceptibilidade do modelo de Glauber linear a partir da expansao em s´erie perturbativa, cujos coeficientes são determinados em todas as ordens. Também discutimos como generalizar esse método para obter expansões em série para o modelo de Glauber em duas dimensões.

In this work we study some reversible and irreversible stochastic models using various techniques that include series expansions, numerical simulations and analytical methods. Firstly we write a supercritical series expansion of the particle density of the one-dimensional contact process, which gives us the critical annihilation rate and critical exponent ¯ after using the Pad´e approximants method. Secondly we examine the assimetric height restricted sandpile model, which presents a non-zero particle flux at the stationary active state and its critical properties are determined as a function of the assimetry parameter p. Finally we study analitically the linear Glauber model, which is identical in one dimension to the Glauber model. It is possible in any dimension to obtain an expression of the susceptibility of the linear Glauber model from a perturbative series expansion in which the coefficients can be determined at all orders. We also discuss how to generalize the method in order to obtain a series expansion for the Glauber model in two dimensions.

Advisors/Committee Members: Oliveira, Mario Jose de.

▼ The ferromagnetic and antiferromagnetic Ising model on a two dimensional inhomogeneous lattice characterized by two exchange constants (J1 and J2) is investigated. The lattice allows, in a continuous manner, the interpolation between the uniforme square (J2 = 0) and triangular (J2 = J1) lattices. By performing Monte Carlo simulation using the sequential Metropolis algorithm, we calculate the magnetization and the magnetic susceptibility on lattices of differents sizes. Applying the finite size scaling method through a data colappse, we obtained the critical temperatures as well as the critical exponents of the model for several values of the parameter α = J2 J1 in the [0, 1] range. The ferromagnetic case shows a linear increasing behavior of the critical temperature Tc for increasing values of α. Inwhich concerns the antiferromagnetic system, we observe a linear (decreasing) behavior of Tc, only for small values of α; in the range [0.6, 1], where frustrations effects are more pronunciated, the critical temperature Tc decays more quickly, possibly in a non-linear way, to the limiting value Tc = 0, cor-responding to the homogeneous fully frustrated antiferromagnetic triangular case. Advisors/Committee Members: Mariz, Ananias Monteiro (advisor), CPF:07136200482 (advisor), http://lattes.cnpq.br/7218040405934056 (advisor).

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Nosso objeto de estudo são os sistemas de spins com interações de longo alcance; em particular, estamos interessados em sistemas cuja probabilidade invariante é o modelo de Ising em A^S, onde A = {-1, 1} é o espaço de spins e S = Z^d é o espaço de sítios. Apresentamos dois resultados originais que são consequências da aplicação de algoritmos de simulação perfeita e de acoplamento no contexto da construção deste tipo de sistemas e de suas respectivas probabilidades invariantes.

Our object of interest are spin systems with long-range interactions. As a special case, we are interested in systems whose invariant measure is the Ising model on A^S, where A = {-1, 1} is the space of spins and S = Z^d is the space of sites. We present two original results that are byproducts of the application of Perfect Simulation and Coupling algorithms in the context of the construction of these spin systems and their respective invariant measures.

Advisors/Committee Members: Galves, Jefferson Antonio.

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Neste trabalho consideramos três modelos de Ising com competição: que é gerada por acoplamentos dinâmicos de caráter antagônicos, pela própria geometria da rede subjacente ou através de interações de periodicidades uniaxiais competitivas e elementos de desordem. O primeiro modelo, no qual as técnicas de mecânica estatística de equilíbrio não se aplicam, consiste numa rede neural atratora completamente conectada com acoplamentos assimétricos armazenando p = 2 padrões, cuja evolução temporal pode ser descrita (no caso de atualização síncrona) por um mapeamento dissipativo bidimensional. O segundo modelo se refere ao problema clássico do antiferromagneto de Ising na rede triangular na presença de um campo magnético uniforme, investigado através de diversas aproximações - em particular, através de uma aproximação de Bethe-Peierls considerando três sub-redes interpenetrantes equivalentes. O terceiro modelo, introduzido para investigar o efeito de uma desordem congelada em um sistema magnético modulado, é definido pelo modelo ANNNI em um campo aleatório. Inicialmente consideramos um análogo deste modelo na árvore de Cayley, no limite de coordenação infinita, que pode ser formulado em termos de um mapeamento dissipativo bidimensional. A seguir, consideramos uma versão de campo médio em uma rede cúbica simples. que permite uma análise das superfícies de transição de primeira ordem e das linhas tricriticas.

In this work we consider three Ising models with competition: which is generated by dynamical couplings of antagonistic character, by the geometry of the underlying lattice, or by interactions of competitive uniaxial periodicities and disorder elements. The first model, for which equilibrium statistical mechanics techniques do not apply, consists in a fully connected attractor neural network storing p = 2 patterns, whose temporal evolution can be described (in the case of synchronous updating) by a two-dimensional dissipative mapping. The second model refers to the classic problem of the Ising antiferromagnet on the triangular lattice in the presence of a uniform magnetic field, which is investigated by various approximations - in particular, by a Bethe-Peierls approximation considering three interpenetrating equivalent sublattices. The third model, introduced to investigate the effects of quenched disorder in a modulated magnetic system, is defined by the ANNNI model in a random field. Initially we consider an analogous of this model on a Cayley tree, in the infinite-coordination limit, which can be formulated in terms of a two-dimensional dissipative mapping. Next, we consider a mean-field version on a simple cubic lattice, which allows for an analysis of the first-order transition surfaces and tricritical lines.

Advisors/Committee Members: Salinas, Silvio Roberto de Azevedo.

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Neste trabalho apresentamos alguns resultados da invariância conforme e da teoria de escala para sistemas finitos. Estudamos, usando tais técnicas, dois modelos estatísticos (modelos 1 e 2). Para cada modelo obtivemos a anomalia conforme e as dimensões dos operadores energia e magnetização bem como seus respectivos descendentes

In this work we show some results of conformal invariance theory and finite-size scaling. We study by using these theories two statistical mechanics models (models 1 and 2). To each model we obtained the conformal anomaly, the dimensions of energy and magnetization operators as well their respective descendents

Advisors/Committee Members: Alcaraz, Francisco Castilho.

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A teoria quântica de campos pode ser vista como um conjunto de métodos e idéias que além de sua importância no estudo das partículas elementares, tem sido amplamente usada em outras áreas. Em especial, ela constitui uma ferramenta indispensável no estudo moderno de transições de fases e fenômenos críticos. A origem dessa constante relação entre a teoria de campos e a matéria condensada deve-se ao fato que, apesar de suas diferenças superficiais, ambas tratam de problemas envolvendo um grande número de graus de liberdade. Assim, não é surpreendente que as mesmas técnicas possam ser úteis nos dois campos. Este trabalho trata de problemas nessas duas áreas e está essencialmente divido em duas partes. A primeira parte é dedicada ao estudo de teorias de campos com uma anisotropia entre o espaço e o tempo, o que implica uma quebra da simetria de Lorentz. Uma das motivações para considerar esse tipo de teoria vem justamente do estudo de transições de fase em sistemas da matéria condensada. Análises do grupo de renormalização com ênfase na possibilidade de restauração da simetria de Lorentz e também uma discussão sobre identidades de Ward são realizadas. Na segunda parte, a atenção é voltada para a mecânica estatística mas com uma abordagem típica da teoria de campos, em especial, voltada para o estudo de transições de fase clássicas e quânticas a partir da versão quantizada do modelo esférico e de sua extensão supersimétrica.

Quantum field theory can be seen as a set of methods and ideas that, besides its importance in the study of the elementary particles, has been widely used in other areas. In particular, it constitutes an indispensable framework in the modern approach to phase transitions and critical phenomena. The origin of this constant relationship between field theory and condensed matter is due to the fact that despite their superficial differences, both deal with problems involving a large number of degrees of freedom. Thus, it is not surprising that the same techniques may be useful in both fields. This work addresses problems in these two areas and it is essentially divided in two parts. The first part is devoted to the study of field theories with an anisotropy between space and time, which implies a breaking of the Lorentz symmetry. One of the moti- vations for considering this kind of theory is precisely the study of phase transitions in condensed matter systems. Renormalization group analysis with emphasis on the possi- bility of restoration of the Lorentz symmetry and also a discussion about Ward identities are performed. In the second part, the attention is centered on statistical mechanics but with an approach typical of field theory, in particular, focused to the study of classical and quantum phase transitions from the quantized version of the spherical model and its supersymmetric extension.

Advisors/Committee Members: Gomes, Marcelo Otavio Caminha.

▼ Existem vários métodos de simulação para calcular as propriedades críticas de sistemas; neste trabalho utilizamos a dinâmica de tempos curtos, com o intuito de testar a eficiência desta técnica aplicando-a ao modelo de Ising com diluição de sítios. A Dinâmica de tempos curtos em combinação com o método de Monte Carlos verificou que mesmo longe do equilíbrio termodinâmico o sistema já se mostra insensível aos detalhes microscópicos das interações locais e portanto, o seu comportamento universal pode ser estudado ainda no regime de não-equilíbrio, evitando-se o problema do alentecimento crítico (critical slowing down) a que sistema em equilíbrio fica submetido quando está na temperatura crítica. O trabalho de Huse e Janssen mostrou um comportamento universal e uma lei de escala nos sistemas críticos fora do equilíbrio e identificou a existência de um novo expoente crítico dinâmico θ, associado ao comportamento anômalo da magnetização. Fazemos uima breve revisão das transições de fase e fenômeno críticos. Descrevemos o modelo de Ising, a técnica de Monte Carlo e por final, a dinâmica de tempos curtos. Aplicamos a dinâmica de tempos curtos para o modelo de Insing ferromagnéticos em uma rede quadrada com diluição de sítios. Calculamos o expoente dinâmicos θ e z, onde verificamos que existe quebra de classe de universilidade com relação às diferentes concentrações de sítios (p=0.70,0.75,0.80,0.85,0.90,0.95,1.00). calculamos também os expoentes estáticos β e v, onde encontramos pequenas variações com a desordem. Finalmente, apresentamos nossas conclusões e possíveis extensões deste trabalho Advisors/Committee Members: Luciano Rodrigues da Silva, Fernando Dantas Nobre, Umberto Laino Fulco.

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Neste trabalho se estudou um modelo de Ising unidimensional com interações competitivas de curto e longo alcance, na presença de campo externo. O modelo é exatamente solúvel e apresenta um rico comportamento de fases, com a presença de regiões do espaço de parâmetros com transições de primeira e segunda ordens, e um ponto multicrítico. Foi obtida a solução exata do modelo, já conhecida na literatura, embora alguns aspectos do diagrama de fases ainda não tenham sido devidamente explorados. O objetivo principal do estudo foi determinar a existência ou não de um comportamento reentrante na magnetização, que ocasiona magnetizações nulas em temperaturas baixas. Comportamentos reentrantes têm sido observados em sistemas frustrados bi e tridimensionais, tanto em modelos analíticos quanto experimentalmente. No presente modelo não foi observado comportamento reentrante, mas salienta-se a existência de comportamentos singulares no parâmetro de ordem que resulta em modulações nas correlações espaciais.

In the present work, an unidimensional Ising model with long and short ranged interactions has been studied in the presence of an external applied field. The model is analytically solvable and displays a rich variety of phase behaviors, including regions in parameters space with first and second order transitions and a multicritical point. The exact solution for the model has been calculated and it is well known by the scientific literature, but some features, especially regarding the phase diagram, are yet to be explored. The main aim of this study was to determine if there is a reentrant behavior in the magnetization parameter, resulting in zero magnetizations at low temperatures. Reentrant behavior has been observed in frustrated and two-dimendional systems, in experimental systems as well as analytic models. In the present work a reentrant behavior was not found, however there is a big set of different behaviors in the order parameter generating modulations in the spatial correlations.

Advisors/Committee Members: Stariolo, Daniel Adrian.

▼ Sistemas de multicamadas constituídos por camadas magnéticas de heteroestruturas podem possuir uma variedade de fases magnéticas - essas dependentes de fatores como os parâmetros de troca, a geometria do material, a temperatura T à qual ele é submetido e o campo B nele aplicado. Vamos considerar um modelo de Filme Fino no qual as varias camadas que o compõem são formadas por K planos de Ising que possuem a mesma constante de acoplamento e que possua entre os planos K/2 e K/2+1 um acoplamento antiferromagnético cuja interpretação Física seriam defeitos e/ou impurezas no material. O sistema é modelado pelo seguinte Hamiltoniano de spin, onde os dois primeiros somatórios representam a interação de primeiros vizinhos nas camadas superiores e inferiores e o terceiro representa o acoplamento interfacial antiferromagnético e o último representa a interação do sistema com o campo B. O cálculo das respostas magnéticas do modelo permite-nos obter as temperaturas e os respectivos campos críticos relativos as transições de fase de 1 e 2 ordens viabilizando a construção dos diagramas de fases do sistema. Obtivemos também a campo nulo os expoentes críticos relativos às respostas magnéticas do material a fim de verificar a Relação de Rushbrooke. Fizemos também uma analise acerca dos ciclos de histerese do material. Os métodos de Monte Carlo utilizados nos cálculos são os Algoritmos de Amostragem Entrópica cuja idéia principal é explorar o principio da máxima entropia -Entropic Sampling - e o algoritmo de Amostragem Relevante usual, introduzido por Metropolis et al. Advisors/Committee Members: Paulo Daniel Emmel.

▼ Resumo: A descrição da dinâmica quântica de sistemas de muitos corpos é um ingrediente chave para computação e simulações quânticas. No presente projeto, estudamos a dinâmica de cadeias de spin na presença de impurezas ou defeitos. O sistema de Ising quantico (Ising com campo transverso) com uma impureza foi solucionado de forma exata. Este sistema de spins pode ser simulado de forma analítica por partículas quânticas (transformação de Jordan-Wigner). Caracterizamos o espectro, as autofunções e a evolução temporal da magnetização para estados iniciais particulares, focando no papel desempenhado pelos estados de impureza. Finalmente observamos oscilações remanescentes na magnetização, após a relaxação do sistema, para alguns valores dos parâmetros da impureza nos quais existem dois estados ligados no espectro de energias; Abstract: The description of dynamics of quantum many-body systems is a key ingredient to perform quantum computation and/or simulations of quantum behavior. In the present proposal, we study the time evolution of quantum spin chains with impurities at one of the boundaries, in order to understand the role of defects in relaxation properties. The quantum (transverse) Ising model with an impurity has been solved in exact form, using the Jordan-Wigner transformation, where spins are mapped onto spinless fermions, thus simulating analytically a spin system with particles. We completely characterize the spectrum, with the presence of bound states depending on values of the impurity parameters. We calculate the local magnetization and observe its relaxation for particular non-homogeneous initial states. Surprisingly, remanent Rabi oscillations are observed at asymptotically long times, when the spectrum displays two bound states Advisors/Committee Members: Cabrera Oyarzún, Guillermo Gerardo, 1948- (advisor), Siqueira, Ezequiel Costa (committee member), Barranco, Antonio Vidiella (committee member).

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Este trabalho emprega um método de matriz de transferência para estudar a cadeia linear de Ising com interações de longo alcance, podendo estas interações serem do tipo ferromagnéticas ou antiferromagnéticas; o tipo de interação varia periodicamente de acordo com a distância e sua intensidade com a distância como uma lei de potência. Deste modo foi possível obter propriedades termodinâmicas do sistema como a energia livre, a entropia e o calor específico. Alguns resultados interessantes foram obtidos com o cálculo destas propriedades como a ocorrência de entropia residual. Contudo o objeto de investigação principal desta dissertação é a validade de uma conjectura proposta por Tsallis que estabelece que sistemas com interações de longo alcance, como os deste trabalho, obedecem a um escalamento proposto por ele, a ser explicado ao longo deste trabalho. Estes tipos de sistema geralmente não obedecem ao escalamento usual, para todo valor do expoente de decaimento das interações, ocasionando divergências nas funções termodinâmicas intensivas usuais.Também se iniciou um estudo da transição de fase para uma das cadeias apresentadas. Este estudo não é muito conclusivo, mas indica como se proceder em trabalhos futuros. Este estudo envolve análise da função de correlação, que é obtida com o método da matriz de transferência apresentado nesta dissertação. Foi obtida uma série de temperaturas críticas para cadeia finitas em uma das situações mostradas, e, com esses valores pode-se estimar a temperatura críitica da cadeia infinita com técnicas como a dos aproximantes do Padé.

This work applies a transfer matrix method to study long-range Ising chains that have both ferromagnetic and antiferromagnetic interactions, the kind of interaction depends periodically on the range, and its intensity decreases as a power law. This way it was possible to obtain thermodynamic properties of the chain ike free energy, entropy and specific heat. Some interesting results were obtained by the calculation of thermodynamic properties like residual entropy. However, the main subject of investigation is to test the validity of a conjecture proposed by Tsallis, which states that long-range systems scale in a way he proposed and that is explained along this work. These systemsgenerally dont scale as usual, with respect to the number of constituents for all value of the exponent of the power-law interaction. This gives rise to divergences in the usual intensive thermodynamic functions. The work also starts the study of phase transition of one of the chains presented here. The results are not conclusive, but indicate how it is possible to proceed in future works. This study involves analysis of the correlation which is obtained with the transfer matrix method presented here. There were obtained some series of critical temperatures for finite chains of one of the cases presented here. With such values, it is possible to estimate the critical temperature for the infinite chain with techniques like Padé approximants.

Advisors/Committee Members: Roberto Fernandes Silva Andrade, Fernando Dantas Nobre, Suani Tavares Rubim de Pinho.

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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…

Advisors/Committee Members: Stariolo, Daniel Adrian.

▼ Sistemas complexos que apresentam interações competitivas são ubíquos na natureza. Obter descrições adequadas das propriedades termodinâmicas desses sistemas é um desafio para o entendimento de uma série de processos químicos e físicos. Soluções analíticas em termos da Mecânica Estatística são extremamente difíceis de serem obtidas para esses sistemas. Isso faz com que o uso de simulações numéricas seja, na maioria dos casos, a única abordagem possível. Nesta Tese avaliamos o desempenho de duas classes de algoritmos de Monte Carlo generalizados empregados na determinação da natureza das transições de fase em dois sistemas complexos: o modelo de Ising dipolar bidimensional (2D) e um modelo mínimo para descrever proteínas. Na primeira classe, a qual representa os algoritmos seriais, incluimos os algoritmos multicanônico (MUCA) e de amostragem entrópica (ES), também conhecidos como algoritmos de amostragem uniforme. Na segunda classe, que diz respeito aos algoritmos paralelizáveis, incluimos o algoritmo canônico de Metropolis associado ao método de troca entre réplicas (REM). Para ambas as classes introduzimos contribuições metodológicas visando o aumento da eficiência na obtenção das propriedades canônicas e microcanônicas dos modelos. No caso dos algoritmos de amostragem uniforme, caracterizamos protocolos baseados na contagem de viagens de ida e volta que otimizam a determinação dos pesos de amostragem, e dessa maneira, aumentam a eficiência na obtenção da densidades de estados. Com relação ao uso de simulações canônicas implementadas com o REM, introduzimos o método ST-WHAM-MUCA como uma nova maneira de calcular a entropia microcanônica, associando o inverso da temperatura estatística obtida via ST-WHAM às equações de recorrência do algoritmo MUCA. A partir de simulações canônicas para os dois modelos estudados, mostramos que a termoestatística microcanônica obtida via ST-WHAM é equivalente àquela obtida pelo algoritmo MUCA, mesmo para a região onde ocorrem transições de fase de primeira ordem e uma não concavidade é observada na entropia microcanônica. Além dos estudos sobre a metodologia empregada na implementação dos algoritmos, realizamos contribuições para o entendimento da criticalidade nos modelos. Em particular, determinamos os aspectos críticos no modelo de Ising dipolar 2D para dois cenários distintos. Para o Cenário I, onde apenas uma transição entre as fases de faixas e tetragonal é observada, empregamos o algoritmo MUCA aliado à metodologia de obtenção dos zeros complexos da função de partição canônica. Nesse caso, foi possível determinar a natureza contínua da transição de fase faixas tetragonal, excluindo um possível ponto trícritico, como sugerido na literatura para a região h=1 do diagrama de fases. Para o Cenário II, o qual descreve uma região que apresenta duas transições de fase em decorrência do aparecimento de uma fase nemática entre as fases de faixas e tetragonal, mostramos que o algoritmo MUCA apresenta problemas mesmo para redes pequenas. Utilizando o algoritmo de Metropolis associado ao… Advisors/Committee Members: Alves, Nelson Augusto.

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Neste trabalho estudamos a existência de ordem de longo alcance em modelos ferromagnéticos na presença de um campo externo cuja configuração apresenta um padrão tipicamente aleatório. Provamos por meio do argumento de Peierls modificado por Griffiths para o estudo de um antiferromagneto, que o modelo de Ising ferromagnético bidimensional exibe, para um campo alternado de intensidade fraca, ordem de longo alcance `a temperatura finita. Propomos dar um passo além considerando campos auto-similares esparsos, cuja soma é nula em todas as escalas. Estudamos também o modelo hierárquico em duas dimensões, para o qual provamos a existência de ordem de longo alcance a temperatura finita, na ausência de campo externo e para um campo com regiões irregulares esparsas. Provamos que os resultados do modelo de contornos hierárquicos são equivalentes aos resultados do modelo hierárquico em duas dimensões. Por fim, provamos através do método do limite infravermelho existência de ordem de longo alcance no modelo N-vetorial com campo alternado, de intensidade fraca, para d >= 3, sob a hipótese de que a variância do estado associado `a interação com o campo apresenta cardinalidade inferior a do volume do sistema. Mostramos, sob hipóteses similares, que o modelo N-vetorial hierárquico com campo externo, esparso e de intensidade pequena, apresenta ordem de longo alcance a baixas temperaturas.

In this work we study the existence of long range order for ferromagnetic models in the presence of an external field whose configuration has a pattern typically random. We prove, via the Peierlsárgument modified by Griffiths in his study of an antiferromagnet, that the two dimensional ferromagnetic Ising model for a staggered field exhibits long-range order at finite temperature and small field intensity. We propose to give a further step considering sparse self similar fields, whose sum is zero in all scales. We study as well the hierarchical model in two dimensions, where we prove existence of long-range order at finite temperature in the absence of external field and for a field configuration with sparse irregular regions. We prove that the results for the two-dimensional hierarchical contours model are equivalent to the results of the hierarchical model in two dimensions. Lastly, we prove via infrared bound method, existence of long range order in the N-vector model with a staggered and weak external field for d >= 3, under the hypothesis that the variance of the state connected with the field interaction has cardinality lower than volume. We show, under similar hypotheses, that the N-vector hierarchical model with a sparse field of low intensity has long range ordem at low temperatures.

Advisors/Committee Members: Marchetti, Domingos Humberto Urbano.

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Estudamos o comportamento crítico do modelo de Ising com interação dipolar, em redes bidimensionais regulares. Este modelo apresenta um cenário fenomenologicamente rico devido ao efeito de frustração causado pela competição entre as interações de troca do Ising puro e a interação dipolar. A criticalidade do modelo foi estudada a partir das relações de escala de tamanho finito para os zeros da função de partição no plano complexo da temperatura. Esta abordagem nunca foi utilizada no estudo do modelo em questão. Nosso estudo se baseia em simulações de Monte Carlo usando o algoritmo multicanônico. O objetivo deste trabalho é obter a temperatura crítica em função do acoplamento (razão entre as intensidades dos acoplamentos ferromagnético e dipolar) e construir uma parte do diagrama de fase do modelo. Diferentes partes do diagrama de fase ainda não apresentam indicações conclusivas a respeito da ordem das linhas de transição. Em particular, há evidências na literatura de um ponto tricrítico para no intervalo [0.90,1.00], mas sua localização precisa não é conhecida. Nossas simulações indicam que o ponto tricrítico não se localiza no intervalo acima. Nossos resultados mostraram que, para [0.89,1.10], a fase do tipo faixas com h=1 passa para a fase tetragonal através de uma transição de segunda ordem. A análise de FSS para os zeros da função de partição na variável temperatura, apresenta, para =1.20, uma transição de fase de segunda ordem e para =1.30, uma transição de fase de primeira ordem. Dessa forma, o ponto tricrítico ocorre somente entre =1.20 e 1.30. Realizamos um estudo complementar baseado na abordagem microcanônica e observamos duas transições de fase de segunda ordem para =1.20 e duas transições de fase de primeira ordem para =1.30, que indica a presença da fase nemática intermediária.

We study the critical behavior of the dipolar Ising model on two-dimensional regular lattices. This model presents a phenomenologically rich scenario due to the effect of frustration caused by the competition between the pure Ising interaction and the dipolar one. To study the criticality of this model we apply finite size scaling relations for the partition function zeros in the complex temperature plane. The partition function zeros analysis has never been used before to study such model with long-range interactions. Our study relies on Monte Carlo simulations using the multicanonical algorithm. Our goal is to obtain the critical temperature as a function of the coupling (the ratio between the ferromagnetic and dipolar couplings) to construct a part of the phase diagram. Different parts of the phase diagram do not present a conclusive results about the order of the phase transition lines.In particular, there is evidence of a tricritical point for [0.90,1.00], but its precise location is unknown. Our simulations indicate that the tricritical point is not located in the above range. Our FSS analysis show that for =1.20 the striped-tetragonal transition is a second-order phase transition and for =1.30 it is a first-order…

Advisors/Committee Members: Alves, Nelson Augusto.

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Neste trabalho estudamos o modelo de Ising ferromagnético, puro e diluído, em várias redes hipercúbicas, utilizando a teoria de campo efetivo (EFT) baseada na técnica aproximada do operador diferencial. Consideramos interações entre primeiros e segundos vizinhos em sistemas diluídos por sítios enquanto que para sistemas diluídos por ligações somente consideramos interações entre primeiros vizinhos. Foram utilizados aglomerados de um e dois spins obtidos os comportamentos da magnetização em função da temperatura crítica reduzida em função da concentração dos diluidores. Esses resultados foram comparados com os exatos, quando disponíveis, e, com os obtidos através da aproximação, tipo campo médio, usando a desigualdade de Bogoliubov. Aplicamos esse modelo na descrição das propriedades termodinâmicas de ligas Fe-Al. O diagrama de fases experimental foi ajustado com os parâmetros teóricos. Ajustes razoáveis foram obtidos, entretanto não muito diferentes dos obtidos anteriormente através de outras técnicas aproximadas.

In this work we study the ferromagnetic Ising model, in its pure and diluted versions, on several hypercubic lattices. We use the effective field theory (EFT) based on the differential operator technique. We consider exchange and superexchange interactions on the site diluted systems, while we only consider exchange interaction on the bond diluted systems. We used one and two site cluster approximations and we obtained the magnetization behavior as a function of the reduced temperature as well critical reduced temperature behavior as a function of the dilution concentration. The results were compared with the exacts ones, when available, and with the results obtained from the Bogoliubov inequality. We applied this model in the description of the thermodynamics properties of Fe-Al alloys. The experimental phase diagram were adjusted with the theoretical parameters. Reasonable fittings have been obtained, however not so different from those previously obtained from other approximate techniques.

Advisors/Committee Members: Joao Antonio Plascak, Jose Ricardo de Sousa, Joao Antonio Plascak, Jose Ricardo de Sousa, Jafferson Kamphorst Leal da Silva, Luiz Orlando Ladeira.

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Este trabalho foca no estudo de duas redes complexas. A primeira é um modelo de Ising com campo aleatório. Este modelo segue uma distribuição de campo gaussiana e bimodal. Uma técnica de conectividade finita foi utilizada para resolvê-lo. Assim como um método de Monte Carlo foi aplicado para verificar os resultados. Há uma indicação em nossos resultados que para a distribuição gaussiana a transição de fase é sempre de segunda ordem. Para as distribuições bimodais há um ponto tricrítico, dependente do valor da conectividade . Abaixo de um certo mínimo de , só existe transição de segunda ordem. A segunda é uma rede neural atratora métrica. Mais precisamente, estudamos a capacidade deste modelo para armazenar os padrões estruturados. Em particular, os padrões escolhidos foram retirados de impressões digitais, que apresentam algumas características locais. Os resultados mostram que quanto menor a atividade de padrões de impressões digitais, maior a relação de carga e a qualidade de recuperação. Uma teoria, também foi desenvolvido como uma função de cinco parâmetros: a relação de carga, a conectividade, o grau de densidade da rede, a relação de aleatoriedade e a correlação do padrão espacial.

This work focus on the study of two complex networks. The first one is a random field Ising model. This model follows a gaussian and bimodal distribution, for the random field. A finite connectivity technique was utilized to solve it. As well as a Monte Carlo method was applied to verify our results. There is an indication in our results that for a gaussian distribution the phase transition is always second-order. For the bimodal distribution there is a tricritical point, tha depends on the value of the connectivity . Below a certain minimum , there is only a second-order transition. The second one is a metric attractor neural network. More precisely we study the ability of this model to learn structured patterns. In particular, the chosen patterns were taken from fingerprints, which present some local features. Our results show that the higher the load ratio and retrieval quality are the lower is the fingerprint patterns activity. A theoretical framework was also developed as a function of five parameters: the load ratio, the connectivity, the density degree of the network, the randomness ratio and the spatial pattern correlation.

Advisors/Committee Members: Erichsen Junior, Rubem.

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Nesse trabalho estudamos o modelo de Ising antiferromagnético na presença de um campo externo na rede quadrada através de um novo método de amostragem, chamado tomographic entropic sampling (amostragem entrópica tomográfica). Esse novo algoritmo de amostragem entrópica se propõe a realizar um passeio completo por todo espaço configuracional, sem a necessidade de utilização de janelas, a fim de obter boas estimativas do número de configurações, , dos estados do sistema em estudo. Tendo em vista esse propósito do algoritmo de amostragem entrópica tomográfica, definimos algumas classes de configurações fundamentais da rede quadrada no espaço energiamagnetização. Tais classes de configurações formam um conjunto básico e fundamental, das quais todas as possíveis configurações do sistema fazem parte com isso podemos ter certeza de que todo espaço configuracional é visitado durante a amostragem. Realizamos estimativas de (L) para L = 10 à 30, com _L = 2. Assim, calculamos as médias microcanônicas e canônicas das quantidades termodinâmicas de interesse. Lançamos mão da análise de escala de tamanho finito para estimar alguns pontos ao longo da linha crítica no plano hT e comparamos esses resultados com uma aproximação teórica, deduzida por Müller- Hartmann e Zittartz, que fornece uma expressão analítica para a linha crítica do modelo de Ising antiferromagnético em um campo externo. Também estudamos os cruzamentos dos cumulantes de Binder do parâmetro de ordem em um ponto crítico. Além disso, em três pontos distintos ao longo da linha crítica, estudamos as propriedades críticas do sistema e estimamos os expoentes críticos associados ao parâmetro de ordem, _, e à susceptibilidade alternada (associada ao parâmetro de ordem), __.

In this work we study the Ising antiferromagnetic model in an external magnetic field on the square lattice using a new sampling method, called tomographic entropic sampling. The purpose of this new entropic sampling algorithm is to visit the whole configurational space to yield good estimates of the number of system configurations, . To do so, we define fundamental classes of configurations on the square lattice. These classes partition the set of accesible configurations. In this way we can be sure that all possible classes are visited during the sampling. We estimate (L) from L = 10 to 30, using _L = 2. Then we calculate the microcanonical and canonical averages of the thermodynamic quantities of interest. We use finite size scaling analysis to determine the critical line in the h T plane, and compare these results with an approximate theoretical expression derived by Müller-Hartmann and Zittartz. We also analyse the crossing Binders cumulant of the order parameter in a critical point. In addition, at three points along the critical line, we study the critical properties of the system and estimate the critical exponents related to the order parameter, _, and to the staggered susceptibility (related to the order parameter), __.

Advisors/Committee Members: Ronald Dickman, Ronald Dickman, Jafferson Kamphorst Leal da Silva, Antonio Sergio Teixeira Pires.