Nesta tese apresentamos um método para a obtenção da estatística de contagem de carga de estruturas mesoscópicas baseado na teoria de matrizes aleatórias e em técnicas supersimétricas. Através de um poderoso mapa que pode ser estabelecido entre a função geratriz da estatística de contagem e o modelo sigma não linear supersimétrico, mostramos que a teoria quântica de circuitos de um ponto quântico ou uma sequência deles conectados a reservatórios de elétrons por barreiras não ideais pode ser obtida a partir do ponto de sela de tal modelo. Estendemos o formalismo para as três classes de Wigner-Dyson de matrizes aleatórias. Estabelecemos também uma conexão entre os resultados deste formalismo e a teoria de matrizes de espalhamento aleatórias. Aplicamos a teoria de circuitos obtida de tal formalismo para estudar um sistema híbrido metal normal-supercondutor (NS) no regime de baixas temperaturas, pequenas voltagens e a campo magnético nulo. Calculamos a densidade de autovalores de reflexão de Andreev, que em sistemas NS assume o papel dos autovalores de transmissão do caso normal, e os três primeiros cumulantes da estatística de contagem de uma cavidade caótica conectada a um reservatório normal e outro supercondutor por barreiras de transparência arbitrárias. Observamos um interessante sinal de uma recentemente estudada transição quântica relacionada ao surgimento de modos do tipo Fabry-Pérot dentro da cavidade quando variamos as transparências das barreiras. Estas assinaturas são mais uma manifestação dos efeitos de proximidade do supercondutor. Estudamos também nesta tese os efeitos de interferência quântica nas propriedades de transporte de cadeias de pontos quânticos. Através de um eficiente método que permite obter correções quânticas através da teoria de circuitos, calculamos a correção de localização fraca dos três primeiros cumulantes de uma cadeia de pontos quânticos, onde fomos capazes de observar um comportamento anômalo de tais correções quando variamos o número de cavidades que compõem o circuito. Calculamos também as flutuações universais da condutância deste sistema. Finalizamos esta tese estudando um sistema onde a teoria de circuitos ainda não está disponível: um ponto quântico com uma interface NS na presença de campo magnético. Utilizamos a técnica diagramática de integração sobre o grupo unitário para calcular os dois primeiros cumulantes bem como a correção de localização fraca da condutância deste sistema. Uma rica fenomenologia foi encontrada quando variamos as transparências das barreiras neste sistema. Comparamos os resultados deste regime com os obtidos a campo magnético nulo
Nesta tese apresentamos um método para a obtenção da estatística de contagem de carga de estruturas mesoscópicas baseado na teoria de matrizes aleatórias e em técnicas supersimétricas. Através de um poderoso mapa que pode ser estabelecido entre a função geratriz da estatística de contagem e o modelo sigma não linear supersimétrico, mostramos que a teoria quântica de circuitos de um ponto quântico ou uma sequência deles conectados a reservatórios de elétrons por barreiras não ideais pode ser obtida a partir do ponto de sela de tal modelo. Estendemos o formalismo para as três classes de Wigner-Dyson de matrizes aleatórias. Estabelecemos também uma conexão entre os resultados deste formalismo e a teoria de matrizes de espalhamento aleatórias. Aplicamos a teoria de circuitos obtida de tal formalismo para estudar um sistema híbrido metal normal-supercondutor (NS) no regime de baixas temperaturas, pequenas voltagens e a campo magnético nulo. Calculamos a densidade de autovalores de reflexão de Andreev, que em sistemas NS assume o papel dos autovalores de transmissão do caso normal, e os três primeiros cumulantes da estatística de contagem de uma cavidade caótica conectada a um reservatório normal e outro supercondutor por barreiras de transparência arbitrárias. Observamos um interessante sinal de uma recentemente estudada transição quântica relacionada ao surgimento de modos do tipo Fabry-Pérot dentro da cavidade quando variamos as transparências das barreiras. Estas assinaturas são mais uma manifestação dos efeitos de proximidade do supercondutor. Estudamos também nesta tese os efeitos de interferência quântica nas propriedades de transporte de cadeias de pontos quânticos. Através de um eficiente método que permite obter correções quânticas através da teoria de circuitos, calculamos a correção de localização fraca dos três primeiros cumulantes de uma cadeia de pontos quânticos, onde fomos capazes de observar um comportamento anômalo de tais correções quando variamos o número de cavidades que compõem o circuito. Calculamos também as flutuações universais da condutância deste sistema. Finalizamos esta tese estudando um sistema onde a teoria de circuitos ainda não está disponível: um ponto quântico com uma interface NS na presença de campo magnético. Utilizamos a técnica diagramática de integração sobre o grupo unitário para calcular os dois primeiros cumulantes bem como a correção de localização fraca da condutância deste sistema. Uma rica fenomenologia foi encontrada quando variamos as transparências das barreiras neste sistema. Comparamos os resultados deste regime com os obtidos a campo magnético nulo
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
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.
Investigamos aqui as propriedades de baixa energia de dois modelos eletronicos fortemente
correlacionados em duas dimensoes espaciais. O primeiro deles consiste em uma versao do modelo
de Hubbard em que sao considerados apenas os graus de liberdade do sistema na vizinhanca dos
chamados hot spots, que sao definidos como a interseccao da superficie de Fermi do modelo com a
zona antiferromagnetica. Inicialmente, definimos a nossa teoria linearizando a dispersao do modelo
nos hot spots e consideramos todos os processos de interacao entre essas regioes que conservam
momento a menos de um vetor da rede reciproca. Para acessar a fisica do modelo, recorremos
entao ao metodo de grupo de renormalizacao de teoria de campos e derivamos as equacoes de
fluxo para os acoplamentos na aproximacao de dois loops. Como resultado, obtemos que a
superficie de Fermi do modelo sofre forte renormalizacao nos hot spots, ao mesmo tempo que os
acoplamentos renormalizados fluem para um ponto fixo nao trivial no limite de baixa energia.
Sugerimos entao que esse sistema pode ser visto como um exemplo de um liquido de nao-Fermi
em duas dimensoes espaciais, devido a ausencia de excitacoes fermionicas do tipo quasiparticula
bem definidas na regiao proxima aos hot spots. Alem disso, resolvemos a equacao de Callan-
Symanzik para a funcao de Green de uma particula na aproximacao de dois loops, calculamos a
densidade de estados nos hot spots, e derivamos as equacoes de grupo de renormalizacao para os
parâmetros de ordem das possiveis instabilidades que podem, eventualmente, ocorrer no sistema
em baixas energias. Verificamos que o sistema pode ser caracterizado, nesse regime, em termos de
uma simetria emergente de pseudospin [SU(2)]4, que leva ao aparecimento de ordens emaranhadas
na regiao proxima ao ponto fixo nao trivial do modelo. Mostramos tambem que as excitacoes
fermionicas nas regioes adjacentes aos hot spots adquirem um gap nos espectros de excitacao de
carga e spin. Devido a isso, argumentamos que a superficie de Fermi do modelo pode ser
reconstruida, levando assim a formacao de arcos de Fermi ou pockets eletronicos.
O segundo modelo analisado nesta tese foi o modelo de tres bandas de Emery, que descreve todos
processos de interacao entre as excitacoes fermionicas localizadas nos orbitais do cobre (Cu) e do
oxigenio (O) na celula unitaria de CuO2. Atraves de uma transformada de Hubbard-Stratonovich,
introduzimos dois parâmetros de ordem no sistema: um para a chamada fase de corrente de loop do
tipo ΘII, que viola a simetria de reversao temporal Z2, e outro para a fase emaranhada com simetria
dx
2
-y
2 envolvendo a instabilidade supercondutora do tipo singleto e a ordem de densidade de carga
quadrupolar, cujo vetor de onda aponta na direcao da diagonal da zona de Brillouin. Minimizando
a energia livre do modelo, derivamos as equacoes auto-consistentes de campo medio para esses
parâmetros de ordem. A solucao dessas equacoes para o regime de temperatura nula mostra que as
duas fases competem entre si pela mesma regiao do espaco de fase e, consequentemente, o sistema
tende a nao exibir coexistencia entre as mesmas. Argumentamos que esse efeito pode ser a
principal razao para o fato de a fase onda de densidade quadrupolar nunca ter sido observada em
experimentos realizados nos cupratos supercondutores. Em seguida, analisamos a competicao entre
as fases de corrente de loop do tipo ΘII, observada experimentalmente, e ordem de carga com
simetria dx2-y2 e vetores de onda na direcao dos eixos principais da zona de Brillouin. Como
resultado, obtemos que o sistema exibe coexistencia apenas entre as fases de corrente de loop do
tipo ΘII e ordem de carga bidirecional. Devido a existencia de uma simetria de pseudospin nesse
modelo, confirmamos tambem que a fase de corrente de loop do tipo ΘII coexiste com a fase onda
de densidade de pares bidirecional. Por fim, discutimos as implicacoes dos nossos resultados para a
fase de pseudogap dos cupratos supercondutores, que emerge no chamado regime subdopado
nesses sistemas.
Neste trabalho, consideramos a arquitetura de Eletrodinâmica Quântica de Circuitos (EDQc), onde um átomo artificial de dois níveis interage com um único modo do campo eletromagnético quantizado confinado em um ressonador guia-de-onda sobre um chip supercondutor.Devido ao ambiente de alto controle em que a EDQc é formulada, consideramos modulações temporais periódicas de um ou mais parâmetros do sistema, impostas por um agente externo, caracterizando um sistema de EDQc não-estacionário.Um Hamiltoniano efetivo foi obtido para descrever a dinâmica do sistema e, de maneira mais intuitiva, caracterizar o efeito físico a ser tratado de acordo com a frequência de modulação imposta.Também descrevemos a dinâmica para modulações simultâneas e multifrequências.Entre os efeitos estudados estão os já conhecidos efeito Casimir dinâmico (ECD) e o comportamento anti-Jaynes-Cummings (AJC).Além desses efeitos, discutimos o regime anti-efeito Casimir dinâmico (AECD), que foi apresentado recentemente.Em seguida, propomos duas abordagens para estudarmos os efeitos da dissipação Markoviana nas transições induzidas por modulação usando os estados vestidos da interação átomo-campo.A primeira abordagem foi através da equação mestra padrão da óptica quântica, e a segunda abordagem foi através da equação mestra na representação vestida, que foi recentemente apresentada.Nós analisamos como os diferentes canais dissipativos afetam a dinâmica do sistema e averiguamos a possibilidade de implementação dos fenômenos físicos estudados na arquitetura de EDQc.
Sistemas eletronicos fortemente correlacionados desordenados possuem dois mecanismos basicos para a localizacao eletronica e a subsequente destruicao do estado metalico: o de Mott (causado pela interacao eletron-eletron) e o de Anderson (causado pela desordem). Nesta tese, estudamos como estes mecanismos competem dentro da fase metalica e tambem como afetam o comportamento critico do sistema, empregando uma generalizacao para o caso desordenado do cenario de Brinkman-Rice para a transicao de Mott.
Investigamos os efeitos de desordem fraca e moderada sobre a transicao metal-isolante de Mott a T = 0 em duas dimensoes. Para desordem sucientemente baixa, a transicao mantem sua caracteristica do tipo Mott, na qual temos os pesos de quasiparticula Zi indo a zero na transicao e uma forte blindagem da desordem na regiao critica. Em contraste com o comportamento encontrado para d = 8 , no nosso caso as flutuacoes espaciais dos pesos de quasiparticula sao fortemente amplificadas proximo a transicao de Mott de tal forma que eles adquirem uma distribuicao do tipo lei de potencia P (Z) ~ Z a-1 ,com a --> 0 na transicao. Tal comportamento altera completamente as caracteristicas desta transicao com relacao ao caso limpo, e e um indicio robusto da emergencia de uma fase de Griffiths eletronica precedendo a transicao metal-isolante de Mott, com uma fenomenologia surpreendentemente similar aquela do ponto fixo de desordem infinita encontrada em magnetos quânticos.
Uma consequencia imediata dessas novas caracteristicas introduzidas pela desordem e que estados eletronicos proximos a superficie de Fermi tornam-se mais homogeneos na regiao critica, ao passo que estados com maiores energias tem o comportamento oposto: eles apresentam uma grande inomogeneidade precisamente nas vizinhancas da transicao de Mott. Sugerimos que uma desordem efetiva dependente da interacao e uma caracteristica comum a todos os sistemas de Mott desordenados.
Estudamos tambem como os efeitos bem conhecidos das oscilacoes de longo alcance de Friedel sao afetados por fortes correlacoes eletronicas. Primeiramente, mostramos que sua amplitude e alcance sao consideravelmente suprimidos em liquidos de Fermi fortemente renormalizados. Posteriormente, investigamos o papel dos espalhamentos elasticos e inelasticos na presenca dessas oscilacoes. Em geral, nossos resultados analiticos mostram que um papel proeminente das oscilacoes de Friedel e relegado a sistemas fracamente interagentes.
Abordamos, por m, os efeitos das interacoes sobre o isolante de Anderson em uma dimensao. Construimos a funcao de escala s (g) e mostramos que a escala de crossover g *, que marca a transicao entre o regime ohmico e o localizado da condutância, e renormalizada pelas interacoes. Como consequencia, embora nao haja a emergencia de estados verdadeiramente estendidos, o regime ohmico de g estende-se agora por uma regiao consideravelmente maior do espaco de parâmetros
Abstr
Neste trabalho analisamos o comportamento dinâmico de um modelo clássico e de um modelo quântico de spins na presença de um campo magnético externo. Para estudar a dinâmica de um sistema de spins clássico utilizamos um modelo de Ising bidimensional com interações entre spins primeiros vizinhos na direção vertical diferente daquelas entre spins primeiros vizinhos na horizontal. Através do formalismo da equação mestra, e considerando o processo estocático de Glauber dentro da aproximação de pares dinâmica, determinamos os diagramas de fases estacionários para o modelo na presença de campos magnéticos estáticos e oscilantes no tempo. Dependendo dos valores da razão entre os acoplamentos na horizontal e na vertical, da frequência e da amplitude do campo oscilante, obtemos diagramas de fases onde estão presentes os ordenamentos ferromagnético, paramagnético e antiferromagnético. Além disso, a transição entre as fases pode ser contínua ou descontínua dependendo dos valores dos parâmetros. O modelo também pode apresentar um comportamento tricrítico. O modelo de Ising em um campo transverso unidimensional à temperatura nula foi o modelo escolhido para estudarmos a resposta de sistemas quânticos de spins sujeitos a campos magnéticos que oscilam periodicamente no tempo. Usamos a aproximação de campo médio e simulações de Monte Carlo para determinar a linha de transição contínua entre as fases ferromagnética e paramagnética presentes no diagrama de fases dinâmico do modelo.