Física
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Item Nanofabrication and investigation of ground state degeneracy in artificial spin ice lattices(Universidade Federal de Viçosa, 2024-08-08) Oliveira, Lara Braga de; Araujo, Clodoaldo Irineu Levartoski de; http://lattes.cnpq.br/7718533554803847Arrays of geometrically frustrated nanomagnets known as artificial spin ices (ASIs) have been proposed as an intriguing system for investigating collective excitations that behave as emergent magnetic monopoles at room temperature. This was only made possible due to advances in lithography techniques, enabling the nanofabrication of two-dimensional lattices with potential use in devices. However, in general, in these artificial systems, emergent magnetic monopoles cannot move freely as in their natural counterpart because energy strings connecting monopoles of opposite charges arise. Furthermore, the energy of the string connecting them is strictly related to the non-degeneracy of the ground state. Therefore, several theoretical works have proposed that two-dimensional lattices with specific geometries could exhibit a highly degenerate ground state and, consequently, free monopoles in the lattice. Such specific geometries are rectangular arrays of disconnected nanomagnets, where the ratio between the horizontal and vertical distances between them is equal to square root of three; and connected square arrays of nanomagnets. In this context, the present work aimed to experimentally investigate the proposed degeneracy in such ASI geometries through characterization techniques such as magnetic force microscopy and magnetoresistance. Additionally, these systems are usually fabricated by nanofabrication processes involving expensive and time-consuming physical vapor deposition techniques. As a possible solution to this problem, we present a new nanofabrication route using the electrodeposition technique for the growth of Permalloy, offering an alternative to manufacture ASIs quickly and affordably. Keywords: artificial spin ice; ground state degeneracy; electrodepositionItem A quebra do paradigma de Yang-Mills: o modelo de Jackiw-Pi(Universidade Federal de Viçosa, 2024-03-06) Pereira, Emílio Drumond; Del Cima, Oswaldo Monteiro; http://lattes.cnpq.br/1042082153691895As teorias de gauge são formuladas para descrever campos de matéria que apresentam uma simetria local, conhecida como simetria de gauge. O grande impacto dessas teorias é obtido ao utilizar algum método para quantizá-las. Partindo de grupos de simetria especı́ficos, como, por exemplo, o grupo U (1), o SU (2) e o SU (3), é possı́vel obter o modelo padrão da fı́sica de partı́culas, isto é, uma teoria que descreve três interações fundamentais: interação eletromagnética, fraca e forte. Tais teorias também podem ser estudadas em diferentes dimensões espaço-temporais e ainda assim possuir interesse além do teórico. Em particular, quando estudadas em três dimensões espaço-temporais, forneceram modelos que contribuı́ram para a compreensão de fenômenos como o efeito hall quântico e sobre sistemas como o grafeno e isolantes topológicos. Ainda nessa dimensionalidade, em 1997, os fı́sicos Roman Jackiw e So-Young Pi propuseram uma teoria de gauge massiva que, ao contrário da teoria de Chern-Simons, preserva a simetria de paridade e, além disso, quebra o paradigma de Yang-Mills (generalizações não-abelianas de modelos abelianos). Portanto, tendo em vista a peculiaridade do modelo de Jackiw-Pi, o foco principal do presente trabalho é estudá-lo e será composto da seguinte forma: uma introdução às teorias de gauge, discutindo sucintamente a eletrodinâmica quântica e as teorias de Yang-Mills; A origem da simetria BRS e sua relação com a unitariedade da matriz S; os aspectos da renormalização algébrica, que será o procedimento utilizado para a análise da quantização do modelo; o estudo dos aspectos clássicos e quânticos do modelo de Jackiw-Pi. Por fim, é feita a conclusão sobre a possibilidade de quantização e apresentadas as perspectivas futuras. Palavras-chave: Renormalização algébrica. Simetria BRS. Jackiw-Pi.Item Desordem e criticalidade dinâmica em redes de contato geradas por empacotamento aleatório de discos polidispersos(Universidade Federal de Viçosa, 2024-04-09) Silva, Thainá Ferreira; Ferreira Junior, Silvio da Costa; http://lattes.cnpq.br/5207784228429374Quaisquer sistemas em que se formam estruturas de contato estão sujeitos a perturbações aleatórias, quer sejam impurezas na estrutura cristalina de um material ou estruturas heterogêneas de interações em sistemas complexos. Uma classe importante destas estruturas são as redes planares aperiódicas que podem emergir em materiais ou redes de infraestrutura tais como estações de energia e de transporte. A relevância dessa desordem pode ser investigada por meio do expoente de wandering, ω. Quando a desordem do sistema é relevante para a criticalidade do modelo, segundo o critério de Harris-Luck, ω > ωc , onde ωc = 1−(1/dν⊥ ), a qual depende da dimensão do sistema, d, e do expoente do comprimento de correlação do sistema sem desordem, ν⊥ . Diante disso, buscamos estudar se estruturas geradas a partir de modelos de empacotamento de discos rı́gidos formam estruturas com desordem relevante. Para isso, foram estudados três modelos de empacotamento de discos rı́gidos com partı́culas polidispersas. A partir desses modelos, redes de contato com vı́nculos geométricos foram construı́das e caracterizadas utilizando teoria de grafos. Os resultados obtidos para a caracterização das redes relacionadas aos três modelos são semelhantes. Quando o raio mı́nimo das partı́culas tende a zero, as redes apresentam distribuição de grau com cauda pesada, estruturas hierárquicas, desassociativas e aumento da dimensão topológica. A partir do decaimento da flutuação do grau, podemos verificar se o expoente de wandering excede ωc , resultado este observado em todos os modelos, indicando desordem relevante pelo critério de Harris-Luck. Analisamos o efeito da desordem dessas redes na criticalidade do modelo suscetı́vel-infectado-suscetı́vel (SIS), nas quais não foram observadas assinaturas de mudanças na criticalidade da transição. Verificamos assim que a desordem produzida pela flutuação do grau não é capaz de alterar a criticalidade do sistema, o que, a princı́pio, viola o critério de Harris-Luck. Palavras-chave: desordem, fenômenos crı́ticos, empacotamento aleatório.Item Modelagem cinética da cristalização do monourato de sódio mono-hidratado via equação mestra(Universidade Federal de Viçosa, 2024-02-26) Sousa, Lâna Maria de; Gutierrez Rizzi, Leandro; http://lattes.cnpq.br/6374004186265004Gota é uma doença crônica caracterizada como uma artrite inflamatória que de- corre da deposição de cristais de monourato de sódio mono-hidratado (MSUM) no fluido sinovial humano. Os modelos cinéticos que poderiam ser utilizados para des- crever o crescimento de cristais de MSUM são escassos na literatura. A dificuldade encontrada em estudos sobre o crescimento de estruturas moleculares em meios fisio- lógicos depende do nível descritivo do sistema de interesse. Em geral, investigações a respeito da cinética de cristalização requerem abordagens que envolvem equações di- ferenciais temporais, as quais dependem dos mecanismos de crescimento. A presente pesquisa teve como objetivo principal desenvolver um modelo cinético que permi- tisse descrever, ao menos qualitativamente, a cinética de crescimento dos cristais de MSUM levando em consideração a viscosidade do meio. Em primeiro lugar, realizou- se a caracterização do sistema físico para determinar as ordens de grandeza e as escalas de tempo e de comprimento apropriadas para o desenvolvimento do traba- lho. Revisou-se o tratamento já empregado na literatura, o qual é caracterizado por equações diferenciais de ordem q. Foi verificada a discordância da solução adotada nos trabalhos onde q = 2 em relação à reprodução das análises experimentais reali- zadas. Então, buscou-se utilizar as soluções gerais obtidas para estas equações a fim de descrever os poucos dados experimentais encontrados na literatura, tarefa que se revelou elusiva. Por último, foi proposta uma nova modelagem para a cinética de cristalização dos cristais de MSUM fundamentada na equação mestra. Para validar a solução da equação diferencial encontrada para a concentração de monômeros em solução, realizou-se uma comparação com os dados experimentais obtidos em dife- rentes condições. Tal abordagem teórica permitiu uma descrição simples e transpa- rente da cinética de crescimento de cristais de monourato de sódio mono-hidratado, sendo esta capaz de descrever qualitativamente os efeitos relacionados à viscosidade e à concentração inicial de sementes. Palavras-chave: Gota. Cinética de crescimento. Cristalização. Equação mestra. Viscosidade.Item Sobre a dinâmica de paredes de domínio magnéticas em sistemas curvilíneos de baixa dimensão(Universidade Federal de Viçosa, 2024-03-15) Bittencourt, Guilherme Henrique Rezende; Santos, Vagson Luiz de Carvalho; http://lattes.cnpq.br/3710431423684347O nanomagnetismo se tornou um campo de pesquisa promissor nas últimas décadas. Esse fato se evidencia nas diversas propostas reportadas na literatura sobre o desenvolvimento de dispositivos baseados no transporte de texturas magnéticas em sistemas de baixa di- mensão. Nesse contexto, as paredes de domínio (PD’s) surgem como fortes candidatas para serem usadas como portadoras de informação, como no caso das racetrack memories. Pesquisas recentes têm demonstrado que o comportamento dinâmico de modos coletivos da magnetização apresenta grande sensibilidade às propriedades geométricas do espaço em eles se encontram inseridos. Em particular, os efeitos de curvatura receberam grande destaque nos últimos anos, emergindo como um atraente tópico de pesquisa da atuali- dade. Sob essa perspectiva, apresentamos neste trabalho um estudo a respeito do papel desempenhado pela geometria sobre o comportamento de PD’s em sistemas magnéticos de baixa dimensionalidade. Assim, demonstramos que a curvatura pode ser explorada para o controle do tipo de dinâmica que as PD’s exibem, bem como para ajustar a frequência e a amplitude das oscilações por elas desenvolvidas. Discutimos também intrigantes simila- ridades entre as PD’s e sistemas mecânicos bem conhecidos, como o oscilador harmônico. Finalmente, demonstramos como a curvatura e a torção são capazes de fazer emergir uma fenomenologia quiral, a qual traz consigo efeitos dramáticos como a não reciprocidade experimentada por PD’s em ambientes curvilíneos e a existência de sentidos privilegiados de corrente elétrica que otimizam o transporte dos sólitons magnéticos estudados. Palavras-chave: Nanomagnetismo. Parede de domínio. Efeitos de curvatura. Corrente spin polarizada.Item Construção de um espectrômetro com materiais de baixo custo para análise da fluorescência no contexto do ensino médio(Universidade Federal de Viçosa, 2024-03-08) Lima, Cleison Adriano de; Subtil, Andreza Germana da Silva; http://lattes.cnpq.br/5034123142117589Na investigação do fenômeno da fluorescência, surgiu o interesse em construir um instrumento para análise do espectro de emissão de substâncias fluorescentes. A análise via espectrômetro poderia proporcionar uma compreensão mais profunda desse fenômeno e abrir caminho para aplicações práticas, principalmente no contexto educacional. Espectrômetros são instrumentos projetados para analisar a composição de um feixe luminoso. O espectro resultante, geralmente representado como um gráfico da intensidade pelo comprimento de onda da luz emitida, frequentemente exibe uma série de picos que funcionam como uma espécie de "assinatura" ou "impressão digital" da substância em análise. Espectrômetros comerciais são dispendiosos e, frequentemente, inacessíveis para a realidade do ensino médio. Diante dessa questão, o objetivo principal deste projeto é a construção de um espectrômetro de baixo custo, utilizando materiais de fácil obtenção, e sua implementação por meio de uma sequência didática no ensino médio. O objetivo é introduzir a prática experimental de forma ativa no ambiente da sala de aula e despertar o interesse dos estudantes em áreas como óptica e a interação da luz com a matéria. O diferencial do espectrômetro construído neste trabalho está na simplicidade de sua montagem, sendo um dispositivo compacto e móvel que facilita sua utilização no ambiente escolar. Adicionalmente, ele aborda os princípios básicos da óptica, tais como as propriedades das lentes e a difração, presentes nos currículos de física do ensino médio. A análise visual direta das cores do espectro de emissão no anteparo é intrigante, pois é comum que os estudantes esperem observar apenas a cor do laser incidente devido à reflexão. No entanto, o aparato construído revela uma gama de cores adicionais, o que ajuda a elucidar os princípios fundamentais da fluorescência, em que os comprimentos de onda de emissão são maiores do que os de absorção. Como base teórica para a sequência didática, foi utilizada a abordagem de David Ausubel e George Kelly, que ressaltam a construção ativa do conhecimento. Segundo Ausubel, a aprendizagem é dita significativa quando um novo conhecimento se relaciona de forma não arbitrária e substantiva com o conhecimento prévio do aluno. Para facilitar esse processo, é essencial apresentar ao aluno um material potencialmente significativo. Uma maneira de fazer isso é através de atividades experimentais, que permitem uma abordagem prática e envolvente na recepção do novo conhecimento. Por outro lado, Kelly destaca em seu Ciclo de Experiência Kellyana os caminhos pelos quais uma pessoa constrói o conhecimento. Considerando uma sequência didática com base nesse ciclo, geralmente são aplicados questionários pré-testes e pós-testes com intuito de avaliar os resultados da intervenção. A dissertação e o produto educacional apresentam o passo a passo da construção do espectrômetro e os resultados obtidos, além de proporem uma sequência didática para o uso do aparato experimental em turmas do segundo ano do ensino médio. Os resultados da sequência são discutidos pela análise dos questionários diagnósticos e na interação entre professor e alunos durante as aulas teóricas e práticas. O material produzido está disponibilizado no seguinte endereço eletrônico: https://cleisonlima.wixsite.com/produto-educacional. Palavras-chave: Ensino De Física; Instrumentação; Espectrômetro; Fluorescência; Teoria Da Aprendizagem Significativa; David Ausubel; Ciclo De Experiência Kellyana; George Kelly.Item Synthesis, characterization, and application of polyaniline supramolecular structures(Universidade Federal de Viçosa, 2024-03-08) Oliveira, Kairon Márcio de; Teixeira, Alvaro Vianna Novaes de Carvalho; http://lattes.cnpq.br/9054691196235754Item Analysis of quantum electrodynamics models with applications to two-dimensional condensed matter phenomena(Universidade Federal de Viçosa, 2023-11-23) Lima, Lázaro Souza; Del Cima, Oswaldo Monteiro; http://lattes.cnpq.br/1391410082287088In this work, two planar quantum electrodynamics (QED3 ) models with applications to condensed matter phenomena are analyzed. The first one, discussed in Chapter 2, has possible applications to the fractional quantum Hall effect. A fundamental analysis is per- formed in order to verify the physical consistency of the model. It is found that unitarity is jeopardized, and it is checked that the bosons of the model are non-fundamental. A diagonalization procedure of the action is performed, aiming to identify the fundamental ones and it is verified that the action written in terms of them is physically consistent. The other model analyzed is a parity-preserving QED3 , which yields theoretical results that mimic some experimental observations performed in pristine graphene. In chapter 3, it is verified that the BPHZL renormalization procedure preserves parity in this model. In chapter 4, this model is renormalized at 2-loops order, by BPHZL. In chapter 5, the alge- braic renormalization scheme allows to verify that the parity preserving QED3 is free from anomalies and it presents a quantum scale invariance, which is another feature observed in pristine graphene. Keywords: Quantum Electrodynamics; Three Space-Time Dimensions; Algebraic Renor- malization; Condensed Matter.Item Efeito da concentração de Manganês na frequência dos fônons ópticos polares em ligas de CdMnTe(Universidade Federal de Viçosa, 2023-06-29) Soares, Thamires Cordeiro; Araújo, Eduardo Nery Duarte de; http://lattes.cnpq.br/4642673830141564Na última década, o interesse por semicondutores magnéticos diluídos (SMD) aumentou devido às suas potenciais aplicações tecnológicas que demandam uma compreensão pro- funda das técnicas de crescimento bem como das propriedades fundamentais deste tipo de material. Dentro desta classe de materiais, as ligas de Cd1−x Mnx Te (CMT) apresentam grande potencial para aplicações em larga escala. Através da alteração da concentração x de manganês, é possível variar o parâmetro de rede do material, e como consequên- cia o gap de energia do semicondutor, o que possibilita a concepção de, por exemplo, superredes, poços quânticos e heterojunções. Devido a isso, o CMT tem inúmeras apli- cações tecnológicas, incluindo lasers operacionais, detectores de radiação de raios-X e γ de alto desempenho e células solares, todos capazes de operar em temperatura am- biente. Sintetizar dispositivos baseados em SMD de alta qualidade para aplicações em optoeletrônica é um dos principais objetivos da epitaxia por feixe molecular (MBE). As- sim, para compreender os efeitos ópticos da inclusão de manganês em CMTs, é preciso primeiro compreender os mecanismos de crescimento associados a esta técnica. Pensando nisso, este trabalho propôs o experimento de sintetizar filmes de CMT com concentra- ções distintas de manganês, usando a técnica de crescimento MBE. Existem dois modos de fônons ópticos longitudinais no CMTs, like-CdTe (LO1 ) e like-MnTe (LO2 ), para os quais trabalhos anteriores mostram que há uma dependência linear da frequência com a concentração de Mn. Porém, no presente trabalho, observou-se por meio da técnica de espectroscopia Raman que para determinadas combinações da frequência da luz incidente e da concentração de Mn das amostras há um pronunciado efeito de espalhamento Raman ressonante, no qual as frequências aparentes dos modos LO1 e LO2 permanecem constan- tes à medida que a concentração de Mn aumenta. Com intuito de investigar este problema, foram realizadas medidas de fotoluminescência (PL) nas amostras de CMT produzidas, o que possibilitou avaliar as transições eletrônicas permitidas à medida que a concentração de manganês aumenta. A largura dos picos de PL sugerem que há uma distribuição de concentrações de Mn nos filmes produzidos. Esta heterogeneidade assegura as condições para o espalhamento Raman ressoante, que será observado toda vez que a energia do fóton incidente se aproximar de uma transição eletrônica do material. Palavras-chave: Epitaxia por Feixe Molecular. Espalhamento Raman Ressonante. Telu- reto de Cádmio-Manganês.Item Gelo de spin macroscópico: proposta para introdução de conceitos de Física Moderna através da Nanociência e Nanotecnologia(Universidade Federal de Viçosa, 2023-10-23) Freitas, Allan Kênio Miranda de; Santos, Vagson Luiz de CarvalhoA busca por um eficiente ensino da Física Moderna nas escolas é um grande desafio, tendo em vista as dificuldades relatadas pelos alunos em conseguirem associar os conceitos aprendidos em aula com suas vivências do dia a dia. Com o intuito de promover a aprendizagem dessa disciplina, diversos recursos didáticos podem ser adotados pelos professores, visando a incentivar o interesse dos alunos pelos temas trabalhados A presente dissertação apresenta um produto educacional em forma de sequência didática, elaborado com a finalidade de introduzir conceitos de Física Moderna por meio da Nanociência e Nanotecnologia no Ensino Médio. Esse produto simula gelos de spin macroscópicos em uma rede quadrada composta por ímãs dispostos em ilhas simétricas. A sequência didática foi utilizada em uma turma de Ensino Médio e teve aceitação dos alunos, além da demonstração do produto a um grupo de professores, que se mostraram entusiasmados com o trabalho. Conclui-se que o produto é viável e poderá ser usado como um recurso pedagógico de apoio por professores na educação básica, possibilitando uma aprendizagem investigativa dos alunos. Palavras-chave: Física Moderna; Ensino de Física; Gelo de spin; Nanociência e Nanotecnologia.