O trabalho consiste no estudo de cadeias quânticas ferrimagnéticas associadas a compostos ferrimagnéticos quase-unidimensionais de spins mistos s − S, com s = 1/2 e S = 1. Estudamos as fases induzidas pela aplicação de um campo magnético, B, e efeitos de temperatura, T; em particular as excitações de baixa energia e as curvas de magnetização em função de B. A modelagem teórica e realizada através do hamiltoniano de Heisenberg com acoplamentos de superexchange antiferromagnéticos, J, entre sítios vizinhos e uniformes ao longo da cadeia. O estado fundamental e as excitações de baixa energia de sistemas finitos são obtidos através do m´método de ondas de spin não interagente (SW, do inglês Spin Wave) e interagente (ISW, do inglês Interacting Spin Wave), além do m´método de Lanczos de diagonalização exata; enquanto que as propriedades termodinâmicas são obtidas pelo M´método de Lanczos de Temperatura Finita (FTLM, do inglês Finite Temperature Lanczos Method) e analiticamente pela teoria ISW com a restrição de Takahashi adaptada para ferrimagnetos. Discutimos um modelo analítico efetivo para estudar o efeito de B nas propriedades t´térmicas da cadeia, além de analisar seu limite de validade comparando seus resultados com aqueles obtidos por FTLM. Esboçamos o diagrama de fases T −B do sistema, identi ficando os pontos críıtico-quânticos em T = 0 e as linhas de crossover em temperatura finita, em particular aquelas que limitam a fase Líquida de Luttinger do diagrama.
O trabalho consiste no estudo de cadeias quânticas ferrimagnéticas associadas a compostos ferrimagnéticos quase-unidimensionais de spins mistos s − S, com s = 1/2 e S = 1. Estudamos as fases induzidas pela aplicação de um campo magnético, B, e efeitos de temperatura, T; em particular as excitações de baixa energia e as curvas de magnetização em função de B. A modelagem teórica e realizada através do hamiltoniano de Heisenberg com acoplamentos de superexchange antiferromagnéticos, J, entre sítios vizinhos e uniformes ao longo da cadeia. O estado fundamental e as excitações de baixa energia de sistemas finitos são obtidos através do m´método de ondas de spin não interagente (SW, do inglês Spin Wave) e interagente (ISW, do inglês Interacting Spin Wave), além do m´método de Lanczos de diagonalização exata; enquanto que as propriedades termodinâmicas são obtidas pelo M´método de Lanczos de Temperatura Finita (FTLM, do inglês Finite Temperature Lanczos Method) e analiticamente pela teoria ISW com a restrição de Takahashi adaptada para ferrimagnetos. Discutimos um modelo analítico efetivo para estudar o efeito de B nas propriedades t´térmicas da cadeia, além de analisar seu limite de validade comparando seus resultados com aqueles obtidos por FTLM. Esboçamos o diagrama de fases T −B do sistema, identi ficando os pontos críıtico-quânticos em T = 0 e as linhas de crossover em temperatura finita, em particular aquelas que limitam a fase Líquida de Luttinger do diagrama.
As transições de fase quânticas ocorrem no limite de temperatura T → 0 K. Neste caso, não temos mais flutuações térmicas, mas ainda temos flutuações de origem quântica devido ao princípio da incerteza de Heisenberg. Estas flutuações podem levar a uma transição de fase ou destruição da ordem em um sistema ordenado. Neste caso, a transição entre uma fase e outra não é governada pela temperatura, mas por um parâmetro do hamiltoniano, que pode ser um campo magnético ou frustração geométrica. Dentro deste contexto, estão as cadeias de spin do tipo escada, as quais possuem comportamentos físicos fascinantes. Em particular, para cadeias escadas com duas pernas, as transições de fase quânticas entre as fases com e sem gap de excitação podem ser induzidas por meio de um campo magnético. Outras fases e transições podem surgir ao adicionar frustração na cadeia. Esta dissertação consiste no estudo de uma cadeia escada frustrada de spin 1/2, um modelo antiferromagnético unidimensional com interações do tipo Heisenberg. Determinamos as propriedades físicas através de resultados utilizando o grupo de renormalização da matriz densidade. A curva de magnetização apresenta até três platôs, dois platôs inteiros m = 0 e m = 1, e um platô fracionário m = 1/2 relacionado com uma quebra espontânea de simetria. Construímos um diagrama de fases campo magnético versus frustração, e identificamos linhas de transição de segunda ordem e uma linha de transição de primeira ordem.
Neste trabalho estudamos o comportamento multicrítico de sistemas descritos pelo modelo de Heisenberg anisotrópico de spin 1/2 com interações competitivas (modelo J1 J2) no plano e interação de primeiros vizinhos entre planos acoplados pelo parâmetro λ na rede cúbica simples. Aplicamos as técnicas de Teoria de Campo Efetivo, em aglomerados finitos com dois (EFT-2) e quatro (EFT-4) sítios, e Teoria de Ondas de Spin Linear (LSWT). Designamos por α = J2/J1 o parâmetro de frustração, fenômeno este característico do modelo e construimos diagramas de fases em função deste, do parâmetro de anisotropia de exchange Δ e espacial λ. Pela Teoria de Campo Efetivo estudamos as transições de fase apresentadas pelo modelo nos regimes de temperaturas não nula (transição de fases clássica) e no estado fundamental T = 0 (transição de fases quânticas). Analisamos os casos com interação de primeiros vizinhos ferromagnéticas ou antiferromagnéticas. Observamos a presença dos estados ferromagnético (antiferromagnético) (F(AF)), paramagnético quântico (PQ), colinear ferromagnético (CF) e colinear antiferromagnético (CAF)) no estado fundamental para J1 < 0 e J1 > 0 e caracterizamos o tipo de transição (contínua ou descontínua) existente entre eles. Da mesma forma para T > 0, onde os estados que se apresentaram são os mesmos estados anteriores (exceto a PQ) e o estado paramagnético normal (P). Os estados CAF e CF são caracterizados em três dimensões da seguinte maneira: linhas de spins com a mesma orientação adjacentes a linhas com orientações opostas (CAF) e planos de spins com mesma orientação adjacentes com planos de orientação oposta (CF). Em duas dimensões estes dois estados são equivalentes. Fizemos a análise dos limites clássicos e quânticos do modelo através da destruição da fase PQ nos casos ferromagnético e antiferromagnético sob a influências das anisotropias.\nAplicamos também ao modelo frustrado no plano e interação λ entre planos a Teoria de Ondas de Spin Linear e comparamos os seus resultados com aqueles encontrados pela Teoria de Campo Efetivo.
Um magneto cuja hamiltoniana descreve o modelo de Ising é formado por uma rede de spins interagentes, no qual o spin de cada sítio interage apenas com seus vizinhos próximos. Tipicamente, magnetos deste modelo apresentam a existência de uma fase anti ou ferromagnética de ordenamento espontâneo para baixas temperaturas e uma fase paramagnética desordenada a altas temperaturas, ambas separadas por uma temperatura crítica. Propriedades termodinâmicas do sistema, como energia média, capacidade térmica e susceptibilidade magnética, assim como a magnetização, dependem da temperatura. É de interesse físico mapear o comportamento destas quantidades com o aumento da temperatura, assim como avaliar seus perfis assintóticos na proximidade da transição de fase. Este trabalho consistiu no desenvolvimento e na descrição de um programa computacional que utiliza métodos estocásticos de Monte Carlo no estudo de antiferromagnetos em aproximantes 2D de Ammann-Beenker para quase cristais, bem como a conceituação dos tópicos necessários de mecânica estatística. Discutiram-se as curvas características e os comportamentos assintóticos de cada quantidade física com relação aos resultados previstos em outra configuração mais simples (rede quadrada) para a qual existem resultados analíticos. Constataram-se a universalidade do modelo de Ising e a validez dos métodos numéricos empregados.
Desde a descoberta de Stanley de que o modelo esférico é o limite de dimensionalidade de spin infinita do modelo de Heisenberg clássico, o modelo esférico tem atraído mais atenção do que meramente ser uma alternativa ao modelo de Ising. Como é bem conhecido, o modelo esférico clássico contradiz a terceira lei da Termodinâmica. Este defeito pode ser corrigido através de uma quantização do modelo. Nesta tese, escolhemos a proposta de Obermair que permite o controle das flutuações quânticas através do parâmetro g. Nesta tese, utilizamos o modelo esférico quântico de spin como laboratório da influência das flutuações quânticas sobre o comportamento magnético e termodinâmico da rede hipercúbica d-dimensional e das cadeias AB e AB2 antiferromagnéticas. A cadeia AB2 tem como motivações experimentais polímeros ferrimagnéticos e compostos de oxocupratos, dentre outras. Através da análise de observáveis como magnetização, susceptibilidade, comprimento de correlação e funções de correlação obtivemos no caso da rede hipercúbica que o modelo apresenta quebra espontânea de simetria a temperatura finita e para o estado fundamental (T=0). Através de cálculos detalhados dos observáveis mencionados acima pudemos obter os expoentes críticos associados às transições de fase térmica e quântica (T=0) da rede hipercúbica d-dimensional. Verificamos também que o calor específico em baixas temperaturas não viola a terceira lei da termodinâmica. Para o caso da cadeia AB, o estado fundamental antiferromagnético é obtido com a presença, e posterior anulamento, de campo magnético staggered e nas ausências de flutuações térmicas e quânticas e de campo uniforme. Por outro lado, o modelo esférico na cadeia AB3 apresenta estado fundamental ferrimagnético para g=T=h=0 mesmo na ausência de campo staggered. Entretanto, apesar das cadeias AB e AB2 não apresentarem transição de fase térmica ou quântica, os valores locais de spin da cadeia AB podem apresentar um comportamento antiferromagnético de curto alcance para flutuações térmicas e quânticas pouco intensas e baixos valores do campo magnético uniforme quando comparados com os do campo magnético staggered; no caso da cadeia AB2, destacamos comportamento ferrimagnético de curto alcance para fracas flutuações quânticas e térmicas e campo magnético baixo. Esses comportamentos antiferromagnético e ferrimagnético desaparecem com o aumento das flutuações térmicas e quânticas ou da presença do campo magnético. Tais resultados foram confirmados pelo comportamento assintótico das funções de correlação. Finalmente, obtivemos que os comportamentos em baixas temperaturas do modelo esférico quântico podem ser comparados com aquele da cadeia Heisenberg quântica XXZ, através da análise de observáveis como entropia e calor específico. A termodinâmica de altas temperaturas do modelo esférico quântico se assemelha à de um oscilador harmônico quântico, cuja freqüência depende da temperatura e do parâmetro quântico g
Sistemas unidimensionais desordenados destacam-se por apresentar fenomenos sem analogos nos casos sem desordem ou em dimensoes maiores. Fenomenos inerentes a sistemas com desordem incluem antiferromagneticas de sistemas de spins, onde o estado fundamental e formado por colecoes de singletos de pares de spins, e localizacao de Anderson, onde a funcao de onda apresenta decaimento exponencial. Nesta Tese, estudamos alguns casos onde a fisica de baixas energias e dramaticamente alterada quando o sistema e desordenado, incluindo os exemplos citados anteriormente. Alem de sistemas que apresentam as propriedades fisicas anteriores, elucidamos ainda um mecanismo generico que leva ao aumento de simetria de baixas energias em sistemas de spins desordenados, um tema nao explorado previamente. Investigamos os efeitos de desordem em cadeias de spin genericos em uma dimensao, sendo as interacoes invariantes por rotacao do sistema de coordenadas e por reversao temporal. Para tanto, consideramos todos os termos possiveis que preservam estas simetrias. Tais termos vao alem do habitual termo de Heisenberg, em cadeias de spin S>1/2. Em cadeias de spin 1, encontramos distintas antiferromagneticas onde o estado fundamental e composto de uma colecao de singletos de spins cujas posicoes sao aleatorias. Em baixas energias, a desordem efetiva nestas cresce sem limites; tais sao chamadas, portanto, de fases de desordem infinita. Mais surpreendentemente, verificamos que nas antiferromagneticas a simetria de baixas energias e aumentada, de SU(2) para SU(3). Tal verificacao e feita a partir do mapeamento de operadores de spin monopolares, dipolares e quadrupolares para geradores de representacoes de SU(3), e a posterior constatacao de que a fisica de baixas energias e invariante por rotacoes com tal grupo de geradores. Em analogia com a fisica de particulas, uma das e do tipo barionica, onde o estado fundamental e composto de singletos de colecoes de tres spins (ou quarks formando um singleto de cor, pela analogia com altas energias), enquanto outra fase e do tipo mesonica, sendo o estado fundamental uma sopa de pares de spins (ou pares quark-antiquark, pela analogia). Alem das antiferromagneticas, mapeamos o diagrama de completo da cadeia de spin 1 bilinear e biquadratica (nos operadores de spin) no regime de desordem finita, incluindo ferromagneticas e de spin alto. Nestas, o ferromagnetismo e o antiferomagnetismo competem, o que se reflete no crescimento de spin efetivos, que sao os graus de liberdade efetivos em baixas energias, ser mais lento que no caso ferromagnetico. Ao contrario das antiferromagneticas, nestas de spin alto, a desordem efetiva satura em um valor finito. Estendemos o estudo para spins S>1 atraves do uso de tensores esfericos irredutiveis, que se mostram a linguagem natural para construcao das regras de dizimacao e analise do fluxo do grupo de renormalizacao para desordem forte. Novamente, incluimos todos os termos possiveis que respeitam invariância por rotacao SU(2) e reversao temporal. Descobrimos que ha tambem simetria aumentada nas antiferromagneticas em baixas energias, agora para o grupo SU(2S+1), simetria esta herdada de um ponto no espaco de parâmetros onde o mapeamento para SU(2S+1) e exato em todas as escalas de energia. Esta e uma generalizacao da fase mesonica SU(3) de cadeias de spin 1. Nos tambem discutimos o porque da fase barionica ser muito mais restritiva e, portanto, especial da cadeia de spins 1. Outro objeto de nosso estudo foram sistemas de fermions nao-interagentes em uma dimensao. Os hoppings de longo alcance sao escolhidos tendo um desvio padrao com decaimento em funcao da distância entre sitios, em forma de lei de potencia. Para tal estudo, estendemos o metodo de Equacoes de Fluxo, pioneiramente proposto por Wegner, para sistemas desordenados. Acoplado a esta extensao do metodo, propusemos uma tecnica de grupo de renormalizacao. A combinacao do uso direto das Equacoes de Fluxo, mais o metodo de grupo de renormalizacao, permitiu o mapeamento completo do diagrama de fases, com uma fase estendida (nao-localizada) para expoentes de decaimento menores que um, e uma fase localizada para expoentes maiores que um. O carater localizado ou delocalizado de determinada fase e determinado tanto pela evolucao da distribuicao de acoplamentos, quanto pelos autovalores do Hamiltoniano, atraves da medida de sua repulsao mutua entre niveis
Ab
Nos últimos 20 anos a comunidade científica tem estudado bastante o modelo de Heisenberg spin-1/2 com interações de troca antiferromagnéticas entre primeiros e segundos vizinhos na rede quadrada (o modelo J1 − J2) ideal, onde as interações J1 e J2 s˜ao tomadas, respectivamente ao longo dos lados e da diagonal de uma rede quadrada. O diagrama de fase no estado fundamental desse modelo apresenta duas fases ordenadas: antiferromagnética-AF e colinear-CAF para = J2 J1< 1c e > 2c, respectivamente. Enquanto que para valores de intermediários 1c < < 2c temos a fase paramagnética quântica-PQ (liquido-spin). Neste trabalho generalizam os o modelo J1 − J2, considerando a inequivalência dos acoplamentos de primeiros vizinhos J1 e J01 (interações ao longo dos lados da estrutura quadrada), onde eles se relacionam através do parâmetro de competição entre cadeias lineares de spin ( ) da seguinte forma: J01 = J1. O diagrama de fase em T = 0 no plano − do modelo J1 − J01 − J2 na rede quadrada ´e estudada atrav´es da técnica do operador diferencial via teoria de campo efetivo em aglomerados com N = 2spins. Propomos um funcional para a energia livre como uma expassão em série de potência do parâmetro de ordem (expansão de Landau), e as linhas de transições entre as fases AF-PQ, CAF-PQ e CAF-AF foram obtidas numericamente. As linhas de transi¸c˜ao emergem para um ponto triplo quântico (PTQ) com coordenadas ( t 0.50, t 0.52), que a baixo temos uma transi¸c˜ao direta de fase entre os estados CAF e AF, e acima, existe um estado intermediário desordenado PQ. A transição entre as fases AF e PQ é de segunda ordem quando analisamos o comportamento do parâmetro de ordem, enquanto entre as fases CAF e PQ é de primeira ordem.