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Revista Brasileira de Ensino de Física

Uma introdução à Teoria de Landau para Líquidos de Fermi

Rui Aquino, Daniel Gustavo Barci

Published Jan 1, 2020• 0 citations
Publisher

Abstract

Resumo Apresentamos uma introdução à Teoria de Landau para Líquidos de Fermi. Procuramos evidenciar os paradigmas estabelecidos por Lev Landau nos anos 50, que têm impacto para o desenvolvimento de áreas de pesquisa até os dias atuais. Por sua vez, argumentamos que é possível o ensino dessa teoria em cursos de graduação em física, tendo um impacto positivo na construção do conhecimento de profissionais de áreas como Estado Sólido e Elétrons Fortemente Correlacionados. A apresentação é construtiva, autocontida e voltada para alunos de graduação e pós graduação em Física. A modo de exemplo, estudamos a propagação de ondas em um modelo simplificado de líquido de Fermi bidimensional. Relacionamos o resultado com um dos cálculos mais conhecidos de Landau, as excitações de “som zero”.

DOI
10.1590/1806-9126-rbef-2020-0132

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Efeitos topológicos na teoria do líquido de Fermi

Hernán Guillermo Bueno Xavier

O estudo de sistemas fortemente interagentes constitui um desafio a fisica teorica. Sua analise permite o entendimento de importantes fenomenos coletivos da materia, que abrangem tanto aplicacoes diversas quanto especulacoes teoricas. Este trabalho visa estudar de maneira introdutoria alguns desses fenomenos. Em particular, vamos investigar como o efeito da topologia do espaco de Hilbert associado a esses sistemas quânticos interfere em suas propriedades. Nos dois primeiros capitulos discutiremos os aspectos basicos de sistemas fermionicos interagentes, no contexto da teoria do liquido de Fermi, e desenvolveremos a partir de fundamentos da mecânica quântica, o conceito de fases topologicas. Por fim, estabeleceremos uma conexao entre as duas teorias para iniciar a construcao de uma teoria topologica do liquido de Fermi, a partir da qual, e possivel explicar resultados ja verificados experimentalmente. Na conclusao, ressaltaremos a possibilidade de investigacoes futuras nessa area.

•Dec 12, 2016•0 citations

Aspectos de modelos eletrônicos bidimensionais fortemente correlacionados: aplicações em cupratos supercondutores

Vanuildo Silva de Carvalho

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.

•Jun 6, 2016•0 citations

Anisotropic phase in quantum Hall liquid

Tiago Pereira Dourado

Neste trabalho, desenvolvemos uma teoria efetiva para descrever a existência de fases anisotrópicas em líquido Hall quântico. Partimos de um sistema de elétron líquido bidimensional, submetido a moderados campos magnéticos, onde os níveis de Landau de índices n ≥ 2 são preenchidos parcialmente, fazendo com que o termo de Coulomb tenha uma importância considerável. Através de uma aproximação Hartree-Fock via campo-médio, calculamos um potencial de interação UHF em função do momento e de um fator de preenchimento parcial elevado, e mostramos que ele apresenta mínimos bem definidos com oscilações no espaço dos momentos. Assim, nos apropriamos do modelo estendido de Brazovskii e escrevemos um fator de estrutura, a T = 0, como uma função de correlação de dois pontos, assinalando assim, a existência da fase nemática no líquido Hall quântico. Contudo, para T ≠ 0, acreditamos que o nosso modelo é um forte candidato para o desenvolvimento de uma teoria efetiva que mostre a existência da transição de fase isotrópica-nemática em sistema Hall.

•Nov 21, 2017•0 citations

Teoria de pártons para líquidos de spin quânticos usando estados produto de matrizes

Carlo C. Bellinati

Em magnetismo quântico, a presença de interações de troca competitivas e frustração geométrica pode suprimir o surgimento de ordem magnética de longo alcance, permitindo assim o aparecimento de novas fases da matéria, como os Líquidos de Spin Quânticos. Esses estados são caracterizados pelo conceito de ordem topológica, que está associado à degenerescência topológica do estado fundamental, a padrões de emaranhamento de longo alcance e a excitações de baixa energia fracionárias. Essas características são naturalmente incorporadas pelas teorias de pártons, nas quais operadores de spin são substituídos por bilineares fermiônicos. Além disso, introduz-se um vínculo de ocupação simples para recuperar o espaço de Hilbert físico. Para impô-lo, pode-se aplicar a projeção de Gutzwiller à respectiva solução de teoria de campo médio, criando uma correspondência entre estados fermiônicos Gaussianos e fases de Líquidos de Spin Quânticos. Neste trabalho, formulamos tais teorias e as investigamos numericamente por meio de Estados Produto de Matrizes (Matrix Product States MPS). No formalismo de códigos estabilizadores, estudamos as condições sob as quais um estado projetado possui ordem topológica. Construímos um exemplo de dois estados fermiônicos isolantes triviais que são adiabaticamente conectados, enquanto os estados projetados correspondentes passam por uma transição de fase capturada pela entropia de emaranhamento topológica, alertando contra a classificação de Líquidos de Spin Quânticos baseada exclusivamente em seus estados fermiônicos correspondentes. Além disso, introduzimos um novo algoritmo numérico para o estudo de funções de onda projetadas. A abordagem explora o formalismo da matriz de correlação de estados fermiônicos Gaussianos para determinar o tensor local do MPS em cada sítio. Ao evitar o cálculo de determinantes de Slater e permitir o uso de simetrias translacionais para obter representações de MPS infinito do estado alvo, o método proposto supera limitações de abordagens anteriores, como demonstrado por cálculos ilustrativos no modelo de HaldaneShastry. Esperamos que esses desenvolvimentos contribuam para reduzir a lacuna entre a descrição por pártons de Líquidos de Spin Quânticos e métodos numéricos variacionais para sistemas fortemente correlacionados.

•Mar 31, 2026•0 citations

Two-dimensional Fermi liquid dynamics with density-density and quadrupolar interactions

Rui Aquino dos Santos da Silva

Nós revisitamos o método da bosonização multidimensional, e computamos os resultados clássicos da teoria, aprendendo a proposta do método e entendendo como descrever um sistema fermiônico caracterizado por uma superfície de Fermi. Nós consideramos um modelo de líquido de Fermi com interações de densidade assim como quadrupólo do tipo "forward scattering" parametrizadas pelos parâmetros de Landau F₀ e F₂. Usando a bosonização e uma técnica de decimação, nós computamos os modos coletivos e as funções espectrais para uma enorme variedade de interações, variando desde forte repulsão para forte atração em todos os canais de momento angular. Nós apresentamos um diagrama de fases mostrando uma região no espaço de parâmetros onde a estrutura dos modos coletivos muda abruptamente, possivelmente sinalizando uma transição de fase dinâmica.

•May 7, 2020•0 citations

Feynman, dissipação e computação quântica

A. O. Caldeira

Resumo Neste artigo vamos procurar abordar a influência, direta ou indireta, que R. P. Feynman teve em duas áreas extremamente importantes para o desenvolvimento da física em nossos dias; a dissipação e a computação quântica. Em particular, vamos ainda descrever como estas duas linhas de pesquisa se conectam e nos ensinam como lidar com as limitações de um dos grandes desafios tecnológicos do momento; a construção de um computador quântico universal. Mais uma vez, Feynman aparece como figura central na origem da formulação de métodos e ideias que norteiam inúmeros pesquisadores que atuam nestas áreas do conhecimento.

Revista Brasileira de Ensino de Física•Jul 2, 2018•1 citation
Resumo Apresentamos uma introdução à Teoria de Landau para Líquidos de Fermi. Procuramos evidenciar os paradigmas estabelecidos por Lev Landau nos anos 50, que têm impacto para o desenvolvimento de áreas de pesquisa até os dias atuais. Por sua vez, argumentamos que é possível o ensino dessa teoria em cursos de graduação em física, tendo um impacto positivo na construção do conhecimento de profissionais de áreas como Estado Sólido e Elétrons Fortemente Correlacionados. A apresentação é construtiva, autocontida e voltada para alunos de graduação e pós graduação em Física. A modo de exemplo, estudamos a propagação de ondas em um modelo simplificado de líquido de Fermi bidimensional. Relacionamos o resultado com um dos cálculos mais conhecidos de Landau, as excitações de “som zero”.
O estudo de sistemas fortemente interagentes constitui um desafio a fisica teorica. Sua analise permite o entendimento de importantes fenomenos coletivos da materia, que abrangem tanto aplicacoes diversas quanto especulacoes teoricas. Este trabalho visa estudar de maneira introdutoria alguns desses fenomenos. Em particular, vamos investigar como o efeito da topologia do espaco de Hilbert associado a esses sistemas quânticos interfere em suas propriedades. Nos dois primeiros capitulos discutiremos os aspectos basicos de sistemas fermionicos interagentes, no contexto da teoria do liquido de Fermi, e desenvolveremos a partir de fundamentos da mecânica quântica, o conceito de fases topologicas. Por fim, estabeleceremos uma conexao entre as duas teorias para iniciar a construcao de uma teoria topologica do liquido de Fermi, a partir da qual, e possivel explicar resultados ja verificados experimentalmente. Na conclusao, ressaltaremos a possibilidade de investigacoes futuras nessa area.
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, desenvolvemos uma teoria efetiva para descrever a existência de fases anisotrópicas em líquido Hall quântico. Partimos de um sistema de elétron líquido bidimensional, submetido a moderados campos magnéticos, onde os níveis de Landau de índices n ≥ 2 são preenchidos parcialmente, fazendo com que o termo de Coulomb tenha uma importância considerável. Através de uma aproximação Hartree-Fock via campo-médio, calculamos um potencial de interação UHF em função do momento e de um fator de preenchimento parcial elevado, e mostramos que ele apresenta mínimos bem definidos com oscilações no espaço dos momentos. Assim, nos apropriamos do modelo estendido de Brazovskii e escrevemos um fator de estrutura, a T = 0, como uma função de correlação de dois pontos, assinalando assim, a existência da fase nemática no líquido Hall quântico. Contudo, para T ≠ 0, acreditamos que o nosso modelo é um forte candidato para o desenvolvimento de uma teoria efetiva que mostre a existência da transição de fase isotrópica-nemática em sistema Hall.
Em magnetismo quântico, a presença de interações de troca competitivas e frustração geométrica pode suprimir o surgimento de ordem magnética de longo alcance, permitindo assim o aparecimento de novas fases da matéria, como os Líquidos de Spin Quânticos. Esses estados são caracterizados pelo conceito de ordem topológica, que está associado à degenerescência topológica do estado fundamental, a padrões de emaranhamento de longo alcance e a excitações de baixa energia fracionárias. Essas características são naturalmente incorporadas pelas teorias de pártons, nas quais operadores de spin são substituídos por bilineares fermiônicos. Além disso, introduz-se um vínculo de ocupação simples para recuperar o espaço de Hilbert físico. Para impô-lo, pode-se aplicar a projeção de Gutzwiller à respectiva solução de teoria de campo médio, criando uma correspondência entre estados fermiônicos Gaussianos e fases de Líquidos de Spin Quânticos. Neste trabalho, formulamos tais teorias e as investigamos numericamente por meio de Estados Produto de Matrizes (Matrix Product States MPS). No formalismo de códigos estabilizadores, estudamos as condições sob as quais um estado projetado possui ordem topológica. Construímos um exemplo de dois estados fermiônicos isolantes triviais que são adiabaticamente conectados, enquanto os estados projetados correspondentes passam por uma transição de fase capturada pela entropia de emaranhamento topológica, alertando contra a classificação de Líquidos de Spin Quânticos baseada exclusivamente em seus estados fermiônicos correspondentes. Além disso, introduzimos um novo algoritmo numérico para o estudo de funções de onda projetadas. A abordagem explora o formalismo da matriz de correlação de estados fermiônicos Gaussianos para determinar o tensor local do MPS em cada sítio. Ao evitar o cálculo de determinantes de Slater e permitir o uso de simetrias translacionais para obter representações de MPS infinito do estado alvo, o método proposto supera limitações de abordagens anteriores, como demonstrado por cálculos ilustrativos no modelo de HaldaneShastry. Esperamos que esses desenvolvimentos contribuam para reduzir a lacuna entre a descrição por pártons de Líquidos de Spin Quânticos e métodos numéricos variacionais para sistemas fortemente correlacionados.
Nós revisitamos o método da bosonização multidimensional, e computamos os resultados clássicos da teoria, aprendendo a proposta do método e entendendo como descrever um sistema fermiônico caracterizado por uma superfície de Fermi. Nós consideramos um modelo de líquido de Fermi com interações de densidade assim como quadrupólo do tipo "forward scattering" parametrizadas pelos parâmetros de Landau F₀ e F₂. Usando a bosonização e uma técnica de decimação, nós computamos os modos coletivos e as funções espectrais para uma enorme variedade de interações, variando desde forte repulsão para forte atração em todos os canais de momento angular. Nós apresentamos um diagrama de fases mostrando uma região no espaço de parâmetros onde a estrutura dos modos coletivos muda abruptamente, possivelmente sinalizando uma transição de fase dinâmica.
Resumo Neste artigo vamos procurar abordar a influência, direta ou indireta, que R. P. Feynman teve em duas áreas extremamente importantes para o desenvolvimento da física em nossos dias; a dissipação e a computação quântica. Em particular, vamos ainda descrever como estas duas linhas de pesquisa se conectam e nos ensinam como lidar com as limitações de um dos grandes desafios tecnológicos do momento; a construção de um computador quântico universal. Mais uma vez, Feynman aparece como figura central na origem da formulação de métodos e ideias que norteiam inúmeros pesquisadores que atuam nestas áreas do conhecimento.