Física Aplicada
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Item Nanomagnetismo: um estudo sobre transições de fase, ordenamento topológico e seus efeitos em spintrônica(Universidade Federal de Viçosa, 2021-10-07) Lopes, Ricardo Junior Campos; Melo, Winder Alexander de Moura; http://lattes.cnpq.br/2455809421513287Na presente tese, desenvolvemos diversos trabalhos cujo foco central é o estudo de sis- temas nanomagnéticos (ou magneticamente nano estruturados) em sua grande maioria bidimensionais ou quasi-bidimensionais. Em nosso caso, os sistemas quasi-bidimensionais são compostos por camadas bidimensionais fracamente acopladas entre si. Os estudos perpassam desde a descrição e caracterização de transições de fase magnéticas, ordena- mento topológico, excitações coletivas em regimes de baixa energia, dinâmica de spins e de domínios magnéticos e spintrônica mediada por magnons (também conhecida como magnônica). Dentro dos temas supracitados, pudemos descrever a influência de uma transição de fase topológica do tipo BKT (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless) no processo de injeção de correntes de spin em junções compostas por metais normais e ferromagnetos isolantes, observando um efeito switch térmico nesta injeção na exata temperatura em que o material sofre a transição de fase, além de observarmos o efeito de saturação do processo de injeção da corrente de spins bem como a grande acurácia na obtenção da temperatura de transição para sistema reais [1]. Também descrevemos a possível extin- ção de uma transição de fase BKT em sistemas magnéticos com interações diagonais [2]. Por fim, observamos a cíclica conversão entre diferentes excitações topológicas do tipo Skyrmion [3]. Palavras-chave: Nanomagnetismo. Bidimensional. Transição de fase. Excitações coletivasItem Efeitos de proximidade de sistemas magnéticos em isolantes topológicos(Universidade Federal de Viçosa, 2022-03-31) Alves, Dayvison Nícolas Santos; Fonseca, Jakson Miranda; http://lattes.cnpq.br/1637081088423047Os efeitos de interação de sistemas magnéticos com os estados de superfı́cie de isolantes topológicos são de grande interesse devido a apresentar caracterı́sticas interessantes e de po- tencial aplicação tecnológica, tais como uma superfı́cie metálica de condução helicoidal e um bulk isolante. O objetivo geral deste trabalho é a realização de uma revisão bibliográfica so- bre alguns aspectos dos Isolantes Topológicos, os modelos e as caracterı́sticas principais dos efeitos Hall clássico, quântico, quântico de spin e isolantes topológicos 3D; com foco no efeito magneto-elétrico topológico e suas consequências nos efeitos de interação com os estados de superfı́cie do isolante topológico. Por fim, como alguns sistemas magnéticos se acoplam nos estados de superfı́cie levando a comportamentos exóticos de condução, quebras de simetria, excitações de quasi-partı́culas e aberturas locais de gap de energia para os estados de su- perfı́cie com uma quantização Hall semi-inteira devido a interação de impurezas magnéticas, vórtices, skyrmions, ferromagnetos e paredes de domı́nio. Espera-se que as pesquisas em iso- lantes topológicos possam ser usadas em novas gerações de dispositivos eletrônicos, circuitos fotônicos e spintrônicos, transistores, aplicações em conjunto com supercondutores ou em computadores quânticos. Palavras-Chave: Isolantes topológicos. Estados de superfı́cie. Magnetismo. Efeito magneto-elétrico topológico.Item Proposta e teste de memória e nano-oscilador baseados em elementos magnéticos topológicos(Universidade Federal de Viçosa, 2021-07-05) Ojeda Toro, Oscar Eliecer; Araujo, Clodoaldo Irineu Levartoski de; http://lattes.cnpq.br/5246240691425255Uma estrutura composta por duas camadas ferromagnéticas (F M ), separadas por uma fina camada isolante (I), é denomina junção túnel magnética. Nesta estrutura a camada isolante deve ser espessa suficiente para evitar interação magnética direta entre as cama- das F M e fina suficiente para possibilitar que a corrente eletrônica flua de um eletrodo ferromagnético a outro mediante efeito de tunelamento. Tipicamente a magnetização de uma das camadas ferromagnéticas é pinada para servir como referência, enquanto a mag- netização da outra fica livre para mover-se sob a influência de campo magnético externo. Nas junções túnel magnéticas os elétrons atravessam a barreira túnel perpendicularmente com respeito ao plano definido pela configuração F M 1/I/F M 2. Assim quando a mag- netização da camada ferromagnética livre é antiparalela, com respeito à magnetização da camada pinada, a resistência experimentada pelos elétrons ao atravessar a junção é alta, e em uma configuração onde a magnetização da camada livre é paralela à mag- netização da camada de referência a resistência é baixa. Este efeito é conhecido como magnetorresistência túnel e é a base para a fabricação de memorias magnéticas de acesso randômico. Neste trabalho foi utilizada técnica de sputtering de filmes finos para obten- ção de camadas de CoF eB/M gO/CoF eB com um gradiente de espessura para a junção túnel (M gO) com resistividade variante entre 2-72 Ohm/cm 2 e foram realizadas medi- das com magnetometro de amostra vibrante para estabelecer a espessura adequada da junção túnel na qual se apresenta desacoplamento das camadas ferromagnéticas na pre- sença de campo externo, encontrando efeito de desacoplamento na faixa dos 7 Ohm/cm 2 . Posteriormente foi utilizado o método de tunelização de corrente no plano para medir as propriedades magnetorresistivas da junção túnel encontrando magnetorresistência túnel do 160%. Ainda serão apresentados os passos realizados para a nano-fabricação de nano- pilares e as medidas de magnetorresistência perpendicular em nano-pilares de 300 nm de diâmetro com magnetização em configuração de vórtice que funciona como dispositivo de memória. Adicionalmente apresentamos as propriedades dinâmicas dos modos coletivos da magnetização baseadas no movimento de paredes de domı́nio (DW ). Usando simula- ções micromagnéticas e cálculos analı́ticos, estudamos a precessão de uma DW fixada por um defeito em forma de T em uma nano-banda magnética anisotrópica. Palavras-chave: MRAM. Nanofabricação. Magnetorresistência túnel. Nano-osciladores.Item On the quantum properties of graphene-like quantum electrodynamics(Universidade Federal de Viçosa, 2021-08-31) Miranda, Émerson da Silva; Del Cima, Oswaldo Monteiro; http://lattes.cnpq.br/0184694173751800First, in Part I we study a Lorentz invariant version of a mass-gap graphene-like planar quantum electrodynamics, the parity-preserving U(1) x U(1) massive QEDs. In Chapter 3, was showed it exhibits attractive interaction in low-energy electron-polaron-electron- polaron s-wave scattering, favoring quasiparticles bound states, the s-wave bipolarons. Still in Part I in Chapter 4, was verified that the model is ultraviolet finiteness — exhibits vanishing 5-functions, associated to the gauge coupling constants (electric and pseudochiral charges) and the Chern-Simons mass parameter, and all the anomalous dimensions of the fields — as well as is parity and gauge anomaly free at all orders in perturbation theory. It was done adopting the Becchi-Rouet-Stora (BRS) algebraic renormalization method in the framework of Bogoliubov-Parasiuk-Hepp-Zimmermann (BPHZ) subtraction scheme. In the sequence, in Part II of the thesis, we deal with the parity-preserving U(1) x U(1) hybrid QEDs, proposed as a pristine graphene-like planar quantum elec- trodynamics model. In Chapter 5 was determined the spectrum as well as the four-fold broken degeneracy of the Landau levels, similar as the one experimentally observed in pristine graphene submitted to high applied external magnetic fields, besides that, was verified it exhibits zero-energy Landau level indicating a kind of anomalous quantum Hall effect. Furthermore, the electron-polaron-electron-polaron scattering potentials in s- and p-wave states mediated by photon and Néel quasiparticles might exhibit attractive (s-wave state) or repulsive (p-wave state) interactions. Already in Chapter 6 was analyzed the quantum parity conservation at all orders in perturbation theory for the hybrid model. It was proved, by using the Lowenstein-Zimmermann (LZ) subtraction scheme, that the Bogoliubov-Parasiuk-Hepp-Zimmermann-Lowenstein (BPHZL) renormalization method, preserves parity for the model. To finalize the Part II, in Chapter 7, was showed the vanishing of the 8-functions associated to the coupling constants (0. = O and 8, = 0), the mass parameter (8,,) and the anomalous dimensions of all fields (y4, = 0), as well as the absence of parity and gauge anomalies at all orders of perturbation theory. Closing the analysis of the UA(1) x Us(1) hybrid QEDs it is ultraviolet and infrared finite at all orders in perturbation theory. Keywords: Quantum Hall effect. Graphene. Three space-time dimensions. Algebraic renormalization. Quantum Electrodynamics.Item Study of some lattice models for polymers and fluids(Universidade Federal de Viçosa, 2020-04-30) Rodrigues, Nathann Teixeira; Oliveira, Tiago José de; http://lattes.cnpq.br/9986069999367536Lattice models have been widely employed in the modeling of a sort of real systems, being especially important in study phase transitions and critical phenomena. In polymers, lattice models have helped to unveil the universal nature present in these systems, allowing a deep understanding of important phenomena such as protein folding and adsorption. When applied in the study of fluid systems, lattice models have been used to explore several properties as, e.g., fluid interfaces, phase transitions and multiphase flown. Here we investigate lattice models for both polymers and fluids. We explore two-dimensional lattice models for a single linear polymer chain near to a surface, with the polymer modeled through the path lattice model of interacting self-avoiding trails (ISATs). By using efficient Monte Carlo methods, we have characterized the thermodynamic behavior of adsorbing ISAT on the square and triangular lattices. In the former case, we have analyzed the universal nature of the adsorption transition for different boundary and solvent conditions. We have confirmed the universality hypothesis for the ordinary adsorption but, on the special point, a non-universal behavior has been found. On the triangular lattice, we have tackled the challenging problem of building up the three-dimensional phase diagram of the model, which is featured by several phases separated by a number of surfaces of phase transition and multicritical lines. In the part of fluids, we have investigated lattice gas models of hard-particles that excluded up to their k nearest-neighbor (kNN) in the square and cubic lattices with semi-analytic solutions on Husimi Lattices (HLs). By solving the models 1NN and 2NN on L-level HL built with squares we have characterized the critical parameters and, by using the coherent anomaly method (CAM), we have obtained the critical exponent β and γ. For both models, we have found critical parameters in good agreement with the more accurate estimates from Monte Carlo simulations. The values of the exponentes, however, are far from the expected values. On the cubic lattice, we have studied the binary 0NN-1NN, 0NN-2NN and 1NN-2NN and the ternary 0NN-1NN-2NN mixtures. By solving these mixtures on a HL built with cubes we have found a very rich thermodynamic behavior, with the presence of four stable phases, two fluid, and two solids, being separated by continuous and discontinuous phase transitions. We also have found critical, tricritical and triple points and even a density thermodynamic anomaly. Keywords: Lattice models. Phase transitions. Critical phenomena. Self-avoiding trails. Lattice gas. Husimi lattice.Item Preparação e caracterização de nanocompósitos de nanotubos de carbono e óxido de ferro para supercapacitores(Universidade Federal de Viçosa, 2015-02-25) Coutinho, Bárbara Corrêa; Munford, Maximiliano Luis; http://lattes.cnpq.br/9308970022696005Este trabalho visa preparar e caracterizar nanocompósitos de nanotubos de carbono e óxido de ferro para aplicação em eletrodos de supercapacitores. Supercapacitores são dispositivos para armazenamento de energia que apresentam longo ciclo de vida, alta densidade de energia, alta densidade de potência e curto tempo de carga e descarga. Nanotubos de carbono apresentam grande área superficial específica que contribui para o aumento do armazenamento de energia eletrostática e excelente condutividade que contribui para a menor resistência do dispositivo. A preparação deste nanocompósito foi realizada em três etapas sucessivas. A primeira etapa trata-se de depositar, na forma de filmes finos de boa homogeneidade, nanotubos de carbono sobre um substrato de aço inox através da técnica de Deposição Eletroforética. Em seguida, utilizando-se a técnica de Eletrodeposição foi eletrodepositado ferro nos nanotubos de carbono. A terceira etapa de preparação do nanocompósito será um tratamento térmico, com a finalidade de oxidar totalmente o ferro que reveste os nanotubos de carbonos e dá-los também uma maior estabilidade eletroquímica. Com imagens feitas por Microscopia Eletrônica de Varredura foi analisada a morfologia dos nanocompósitos. Para se analisar o comportamento eletroquímico do nanocompósito foi utilizada a técnica de voltametrias cíclicas (CV). A análise das curvas CV mostrou que o nanocompósito apresenta um bom desempenho pseudocapacitivo, contribuindo fortemente para o aumento da capacitância dos eletrodos. No nanocompósito de nanotubos de carbono e óxido de ferro com limitação de carga de 10mC encontrou-se uma curva típica do processo pseudocapacitivo e capacitância no valor de 5140μF no eletrólito Na 2 SO 4 1M/aquosa. No nanocompósito de nanotubos de carbono e óxido de ferro com limitação de carga de 100mC no eletrólito NaClO 4 0,5M/DMF a capacitância obteve valor de 5630 μF, menor que a apresentada pelo nanocompósito de carga 10mC, 6330 μF no mesmo potencial. No eletrólito NaOH 1M/aquosa os nanocompósitos de nanotubos de carbono e óxido de ferro apresentaram capacitância menor que os nanotubos de carbono termicamente tratados. Portanto os nanocompósitos com carga de 10mC apresentam maior valor de capacitância.Item Stability and complexity in emergent complex ecological networks(Universidade Federal de Viçosa, 2019-12-18) Carvalho, Sylvestre Aureliano; Martins, Marcelo Lobato; http://lattes.cnpq.br/9242034851542225One of the main goals of theoretical ecology consists of determining the ecological forces that favor or not the maintenance of biodiversity in the face of species interactions and environmental perturbations. An approach to reach this goal is to describe the dynamics of the populations that form an ecological community through mathematical models of ecological interactions of different kinds (allelopathy, competition, mutualism, predation, etc), which are studied through numerical simulations and analytical approximations. In recent times, the evidence is mounting that the race of living organisms for adaptation to the chemicals synthesized by their neighbours may drive community structures. Particularly, some bacterial infections and plant invasions disruptive of the native community rely on the release of allelochemicals that inhibit or kill sensitive strains or individuals from their own or other species. On the other hands, the concept of structural stability, i.e., the maintenance of the model ecosystem under random changes in the parameters of the dynamical model, in particular, changes in the growth rates of the species that model environmental perturbations, has emerged as a key theoretical tool for characterizing the response of ecosystems to the fluctuations of the environment. In this thesis, an eco-evolutionary model and metacommunity pattern formation for community assembly through resource competition, allelopathic interactions, and evolutionary branching are presented and studied by numerical analysis. Our major findings are that stable com- munities with increasing biodiversity can emerge at weak allelopathic suppression, but stronger allelopathy is negatively correlated with community diversity. Furthermore, the heterogeneous patterns of these species emerge when diffusivity is low and the allelochemical network has cyclic interactions. The structural stability analysis of interactions as mutualism, competition, and predation shows that increasing biodiversity can be observed in mutualistic species (when the interspecific competition is weak), is impaired when the intragroup competition is considered, and predation interactions can increase or decrease the biodiversity (if the interspecific competition is weak or strong). Keywords: Complex networks. Community structure. Ecological and evolutionary theory. Pattern formation. Competition. Predation. Mutualism. Allelopathy. Structural stability.Item Estudo de propriedades de sistemas com ordem topológica(Universidade Federal de Viçosa, 2020-11-26) Teixeira, Allison Wagner; Fonseca, Jakson Miranda; http://lattes.cnpq.br/1480021215034290Nesse trabalho, estudamos sistemas supercondutores e magnéticos, ambos com orde- namento topológico não trivial. Supercondutores topológicos apresentam condições para emergência de férmions de Majorana, cujo potencial efetivo foi calculado. Com tal potencial, algumas caracterı́sticas dos sistemas foram encontradas, como número de partı́culas, a equação de gap supercondutor e as condições em que supercondutivi- dade é induzida em isolantes topológicos por efeito de proximidade. A possibilidade de emergência de férmions de Majorana em cupratos supercondutores de alta tem- peratura crı́tica também foi estudada. Além disso, a massa de um skyrmion em uma rede de spin com topologia não trivial, em função da velocidade foi encontrada. Nesse caso, encontramos ainda uma transição de fase topológica devido ao aumento do número de skyrmions que ocorre acima de uma velocidade crı́tica. Por fim, de- terminamos estados de configurações magnéticas que minimizam a energia em uma nanocasca toroidal, que apresenta geometria com topologia não trivial. A partir do cálculo de energia de distintas configurações da magnetização pudemos construir um diagrama de estados. Palavras-Chave: Topologia. Supercondutividade. Magnetismo.Item Tight-binding analysis of topological materials and new directions in optical tweezers(Universidade Federal de Viçosa, 2021-01-27) Campos, Warlley Hudson; Melo, Winder Alexander de Moura; http://lattes.cnpq.br/7626021330216528Optical tweezers (OT) is a powerful technique to manipulate microscopic objects using light. Dielectric particles are stably trapped, while metallic beads are usually deflected by radiometric forces. The optical trapping of semi-transparent particles have been over- looked in the literature. In this regard, we have observed that Bi 2 Te 3 , Bi 2 Se 3 [both are topological insulators (TI’s)] and germanium particles behave like optically induced oscillators under a Gaussian laser beam OT. The oscillations take place in a plane per- pendicular to the optical axis of the laser beam as a result of the competition between gradient and radiometric forces. Remarkably, the oscillation direction of the germanium particles depends on the polarization of the laser beam. We propose an effective model to describe these effects, which reproduces the experimental data with good accuracy. Furthermore, we propose a generalization of the Ashkin’s model for OT in the geometri- cal optics regime, accounting for light absorption by the trapped particle. We have also studied the interplay between topological materials and magnetic ordering. These materi- als exhibit very unusual properties, such as metallic surface states with “spin-momentum locking” in TI’s and corner-localized states in second order TI’s. Here, we show that an electrically charged wire near a semi-cylindrical cavity in a TI can be used to induce a Hall current reversion on its surface. Furthermore, preliminary investigations have indicated higher order topology on spinful ferromagnetic and antiferromagnetic variations of the 2D SSH model. Similar analysis have shown that an effect analogous to the topological metal-insulator transition for antiferromagnetic CuMnAs takes place in its ferromagnetic variation. Among the possible applications of our results, stand out the optical rheol- ogy of soft matter interfaces, dynamical force measurements in macromolecules, colloid science and biopolymers, as well as a possible experimental realization of a microscopic single-particle thermal machine. In turn, topological materials are quoted as promising candidates for near future technology, with possibilities for applications in spintronics, quantum computation and advanced low-dissipation devices. Keywords: Topological Materials. Optical Tweezers. Semiconductors. Topological Insulators.Item Localization phenomena and limits of mean-field theories in epidemic processes on networks(Universidade Federal de Viçosa, 2020-12-10) Silva, Diogo Henrique da; Ferreira Júnior, Silvio da Costa; http://lattes.cnpq.br/6705029756494017Complex networks have been applied to represent many real systems and investiga- tions of dynamical processes on their top are of interest, in particular, the epidemic model susceptible-infected-susceptible (SIS). In this model, theoretical descriptions of the transition from a disease-free to an endemic phase at the epidemic threshold are usually performed by means of mean-field theories. The quenched mean-field theory (QMF) takes into account the network structure regarding dynamical corre- lations. The dynamical correlations are added to QMF theory in a pairwise level in the pair-quenched mean-field theory (PQMF). We verify that, as in the QMF case, the PQMF theory can be described by the spectral properties of a Jacobian matrix which emerges within this theory. The absence of degree correlations, which allows to simplify these theories, has been considered in many studies. We analyze the effects of degree correlations on the performance of mean-field theories in determining the epidemic threshold and prevalence of the SIS model on real and synthetic networks. We investigate if there is a relation between this performance and structural and spectral properties of the network and matrices associated with the respective theories. Usually, localization in dynamical processes is investigated through eigenvectors of matrices associated to theoretical approaches near to the transition. We study this problem introducing a normalized activity vector determined by the nodal activities. We construct basis for interpreting the localization inherent to epidemic processes at the threshold and the onset of a delocalized endemic phase just above it. The method is generic and applicable to theories, stochastic simulations, real data and any network. Keywords: Complex networks. Spreading dynamics. Mean-field theories.