Programa de Pós-Graduação em Física

Transições de fase em filmes helimagnéticos

Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT

Transições de fase em filmes helimagnéticos Pires, Lucas Massoni Sistemas com a interação de Dzyaloshinskii-Moriya e troca ferromagnética são conhecidos como helimagnetos, pois diferentemente dos ferromagnetos, seu estado fundamental é dado por uma modulação similar a uma hélice, chamado de fase helicoidal. Além desta configuração, uma rede de estruturas moduladas tipo vórtices emergem espontaneamente em materiais com as referidas interações, a qual recebeu o nome de rede de skyrmions. Estas estruturas possuem características quirais, devido à quiralidade bem definida da interação de Dzyaloshinskii-Moriya, mas também propriedades topológicas, sendo definidas como um defeito topológico. Estas propriedades tornam os skyrmions potenciais candidatos a tecnologia na área de spintrônica, utilizando-os como uma excitação de spins que se propaga e consequentemente carrega e armazena informação. Embora tenham sido observados em materiais tridimensionais, os skyrmions despertaram especial interesse em filmes finos, materiais com algumas camadas atômicas de espessura, que os conferem propriedades próximas a materiais bidimensionais. Isso se deve à grande região de estabilidade desta configuração frente ao espaço de parâmetros do sistema em comparação à materiais tridimensionais, impulsionando assim o estudo mais aprofundado desta classe de sistemas. Apesar dos recentes avanços no estudo de helimagnetos quirais, algumas lacunas carecem de maiores explicações. Em especial, a presença de fase hexática de skyrmions, um estado intermediário entre a configuração cristalina e um líquido isotrópico que ocorre em materiais bidimensionais, foi observada em experimentos com diversos materiais. Porém, poucos trabalhos teóricos foram capazes de identificá-la. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo fornecer uma descrição através da aproximação de campo médio variacional das transições de fase envolvidas em helimagnetos quirais com anisotropia uniaxial, dando especial atenção à presença de transições contínuas entre a rede de skyrmions e o estado homogêneo, uma vez que, pela teoria KTHNY, a fase hexática está entre duas transições desta classe. Visando contribuir igualmente para a discussão da presença de fase hexática, foram realizadas simulações de Monte Carlo de um helimagneto com a interação de Dzyaloshinskii-Moriya, comparando diferentes métodos de simulação, e propondo a influência da geometria da rede como principal mecanismo para a presença da referida fase.; Abstract: Systems featuring Dzyaloshinskii-Moriya interaction and ferromagnetic exchange are known as helimagnets because, unlike ferromagnets, their ground state is characterized by a helix-like modulation called the helical phase. In addition to this configuration, a lattice of vortex-like modulated structures emerges spontaneously in materials with these interactions, known as skyrmion lattice. These structures possess chiral characteristics due to the well-defined chirality of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction, as well as topological properties, being defined as topological defects. These properties make skyrmions potential candidates for spintronics technology, utilizing them as spin excitations that can propagate and consequently carry and store information. Although they have been observed in three- dimensional materials, skyrmions have garnered special interest in thin films, materials that are only a few atomic layers thick, which grant them properties close to two-dimensional systems. This is due to the broad stability region of this configuration within the system?s parameter space compared to three-dimensional materials, thus driving more in-depth study of this class of systems. Despite recent advances in the study of chiral helimagnets, some gaps require further explanation. In particular, the presence of a skyrmion hexatic phase, an intermediate state between a crystalline configuration and an isotropic liquid that occurs in two-dimensional materials, has been observed in experiments with various materials. However, few theoretical works have been able to identify it. In this context, the present work aims to provide a description, via the variational mean-field approximation, of the phase transitions involved in chiral helimagnets with uniaxial anisotropy. Special attention is given to the presence of continuous transitions between the skyrmion lattice and the homogeneous state, since, according to KTHNY theory, the hexatic phase lies between two transitions of this class. Aiming to contribute equally to the discussion of the hexatic phase, Monte Carlo simulations of a helimagnet with Dzyaloshinskii-Moriya interaction were performed, comparing different simulation methods and proposing the influence of lattice geometry as the main mechanism for the presence of the aforementioned phase. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2026.

Q-balls e Q-shells compactas em um modelo de Skyrme-Faddeev Estendido do tipo CPN

Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT

Q-balls e Q-shells compactas em um modelo de Skyrme-Faddeev Estendido do tipo CPN Colaço, Eduardo Luiz Neste trabalho, estudamos soluções do modelo estendido de Skyrme?Faddeev (ESF) com potencial não analítico. Trata-se de um modelo com N campos escalares complexos, definido no espaço projetivo complexo (CPN). Esse modelo constitui uma extensão, com termos quárticos, do conhecido modelo CPN, o qual, quando acoplado a um potencial não analítico, admite soluções compactas do tipo Q-ball e Q-shell. Com essa motivação, analisamos o modelo ESF e o efeito dos termos quárticos sobre as soluções, com relação ao modelo CPN. Utilizando o ansatz de Q-balls, obtivemos uma redução radial do modelo, da qual derivamos a equação de movimento correspondente. Também expressamos as cargas de Noether e a energia total do sistema, além de identificar um espaço de parâmetros, determinado pelas constantes de acoplamento dos termos quárticos, onde as soluções devem apresentar energia total finita. Obtivemos diversas soluções numéricas do tipo Q-ball e Q-shell compactas, recuperando, como casos particulares, as soluções do modelo CPN bem como encontrando configurações com perfis significativamente distintos. A partir da relação carga?energia, discutimos a estabilidade dessas soluções.; Abstract: In this work we study the solutions of an extended Skyrme-Faddeev (ESF) model with a non-analytic potential. It consists of a model with N complex scalar fields, defined in the complex projective space (CPN). This model is an extension, with quartic terms, of the well-known CPN model, which, when coupled to an non-analytical potential, admits compact Q-balls and Q-shells solutions. With this motivation, we analyze the ESF model and the effects of the quartic terms on the solutions, in relation to the CPN model. By employing the Q-ball ansatz, we obtain a radial reduction of the model, from which we derive the corresponding equation of motion. We also express the Noether charges and the total energy of the system, and identify a parameter space, determined by the coupling constants of the quartic terms, in which the solutions must have finite total energy. We obtain several numerical compact Q-ball and Q-shell solutions, recovering, as particular cases, the solutions of the CPN model, as well as finding configurations with significantly different profiles. From the charge?energy relation, we discuss the stability of these solutions. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2026.

Fases moduladas em sistemas com interações competitivas

Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT

Fases moduladas em sistemas com interações competitivas Piccini, Pedro Ricardo Neste trabalho estudamos o comportamento de um modelo com múltiplos parâmetros para sistemas magnéticos modulados. Estudamos um modelo com spin-1 (±1, 0), com interações competitivas entre primeiros e segundos vizinhos (J1,J2), interação biquadrática entre primeiros vizinhos(K), sob a ação de campos magnético(H) e cristalino (D), em uma rede de Bethe, no limite de número de coordenação infinito. Obtivemos diversos diagramas de fase para diversos valores dos parâmetros envolvidos. O diagrama de fases obtido para K = 0, D = 0, H = 0 é muito semelhante ao do modelo de Yokoi, de Oliveira e Salinas, mas comprimido no eixo da temperatura. O diagrama de fases obtido para K=0, H=0, D ? 8 recai no do modelo de Yokoi, de Oliveira e Salinas. Diagramas obtidos para K < 0 distorcem o diagrama de fases progressivamente à medida que o valor de K se torna mais negativo, aumentando a estabilidade de algumas fases moduladas e gerando coestabilidade entre as fases para e ferromagnética. Diagramas obtidos para D < 0 também distorcem o diagrama de fases, gerando reentrância em algumas transições de fase. Estudamos em maiores detalhes o estado fundamental do modelo, observando como os diagramas de fase nesse estado são afetados pelas condições iniciais de magnetização. Obtivemos diagramas para diversas combinações de parâmetros, incluindo diagramas p - K, p - D, p - H, e diagramas H - K, H - D e K - D para diversos valores de p, onde p = J2/J1.; In this work, we study the behavior of a model with multiple parameters for modulated magnetic systems. We studied a spin-1 model (±1, 0), with competing interactions between first and second neighbors (J1, J2), biquadratic interaction between first neighbors (K), under the influence of magnetic (H) and crystal (D) fields, on a Bethe lattice in the infinite coordination limit. We obtained several phase diagrams for different values of the parameters involved. The phase diagram obtained for K = 0, D = 0, H = 0 is very similar to that of the Yokoi, de Oliveira, and Salinas model, but shortened on the temperature axis. The phase diagram obtained for K = 0, H = 0, D ? 8 returns to that of the Yokoi, de Oliveira, and Salinas model. Diagrams obtained for K<0 progressively distort the phase diagram as the value of K becomes more negative, increasing the stability of some modulated phases and generating co-stability between the ferromagnetic and paramagnetic phases. Diagrams obtained for D<0 also distort the phase diagram, generating reentrancy in some phase transitions. We studied the ground state of the model in greater detail, observing how the phase diagrams in this state are affected by the initial magnetization conditions. We obtained diagrams for various combinations of parameters, including p - K, p - D, p - H, and H - K, H - D, and K - D diagrams for various values of p, with p = J2/J1. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2025.

Traçando a evolução de galáxias próximas via síntese fotoespectral

Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT

Traçando a evolução de galáxias próximas via síntese fotoespectral Batista, Júlia Thainá Da Silva Cunha Esta tese apresenta o desenvolvimento, validação e aplicação de uma metodologia inovadora para derivar propriedades físicas de galáxias a partir de dados fotométricos multibanda dos levantamentos Southern Photometric Local Universe Survey (S-PLUS) e Javalambre Photometric Local Universe Survey (J-PLUS). Primeiramente desenvolvemos uma pipeline robusta de pré-processamento, melhorando significativamente o sinal-ruído dos dados e permitindo análises até partes mais externas das galáxias. Posteriormente, introduzimos aprimoramentos no código de síntese espectral AlStar, que permite estimar simultaneamente propriedades estelares e nebulares. Implementamos um prior empírico que utiliza a largura equivalente combinada de Ha+[N II], que é medida de forma robusta no filtro estreito J-0660, para restringir a base de modelos nebulares. Esse prior quebra a degenerescência fundamental entre Ha e [N II], permitindo a obtenção das linhas separadamente e, portanto, diagnósticos nebulares muito mais úteis. Fizemos uma série de simulações que compararam os resultados do AlStar para fotometria sintética do S-PLUS (input) com ajustes espectrais do SDSS (output) para mais de 10000 galáxias. Obtivemos ótima concordância, com dispersões output - input menores que 0.2 dex para propriedades estelares (massas, idades, metalicidades e extinção) e entre 0.05 e 0.2 dex para as larguras equivalentes das linhas de emissão ([O II], Hß, [O III], Ha, [N II], [S II]). Obtivemos também bons resultados para razões de linhas log [N II] /Ha, log [O III]/Hß, log Ha/Hß e log [O III]/[O II], com dispersões dentro de 0.09 dex quando as linhas envolvi- das possuem largura equivalente W > 5 Å. Testes para diferentes redshifts (z = 0.02, 0.04 e 0.06) mostram que resultados para as propriedades estelares se mantiveram igualmente bons, enquanto a dispersão nas propriedades nebulares aumenta por apenas ~ 0.1 dex. Resultados para a galáxia NGC 1365 com cubos do S-PLUS confirmaram a robustez do método, produzindo mapas de linhas de emissão e propriedades estelares semelhantes aos derivados a partir de espectroscopia de campo integral do MUSE. A metodologia validada foi então aplicada a cubos de dados do J-PLUS para os grupos de galáxias M101 e M51. Obtivemos mapas de propriedades estelares e nebulares e correlações entre as propriedades para todas as galáxias dos grupos. Ambos os grupos mostram resultados consistentes com a literatura, exibindo efeito de downsizing e seguem a star-forming main sequence. O grupo M101 mostra-se dinamicamente jovem, com galáxias que preservam seus gradientes de formação inside-out, com formação estelar ainda ativa e generalizada, e não mostram sinais de quenching ambiental. Em contraste, o grupo M51 apresenta sinais de evolução mais avançada, com gradientes de idade e metalicidade mais planos, maior conteúdo de poeira e evidências de quenching ambiental em algumas galáxias. Essas diferenças refletem os distintos estágios dinâmicos dos dois grupos e ilustram o impacto do ambiente na evolução das galáxias, mesmo em sistemas de baixa massa. Os resultados obtidos nesta tese demonstram que a combinação S/J-PLUS + AlStar permite análises análogas às de espectroscopia de campo integral, possibilitando comparações robustas de grandes amostras de galáxias em diferentes ambientes.; Abstract: This thesis presents the development, validation, and application of an innovative methodology to derive the physical properties of galaxies from multiband photometric data obtained by the Southern Photometric Local Universe Survey (S-PLUS) and the Javalambre Photometric Local Universe Survey (J-PLUS). We first developed a robust preprocessing pipeline that significantly improves the signal-to-noise ratio of the data, enabling analyses that extend to the outermost regions of galaxies. Subsequently, we introduced major improvements to the spectral synthesis code AlStar, which allows for the simultaneous estimation of stellar and nebular properties. An empirical prior was implemented based on the combined equivalent width of Ha+[N II], which is robustly measured in the narrow- band filter J-0660, to constrain the nebular base models. This prior breaks the fundamental degeneracy between Ha and [N II], allowing these lines to be recovered separately and thus enabling more reliable nebular diagnostics. We performed extensive simulations comparing AlStar results for synthetic S-PLUS photometry (output) with full spectral fitting results from the SDSS (input) for over 10000 galaxies. Excellent agreement was achieved, with output?input dispersions smaller than 0.2 dex for stellar properties (masses, ages, metallicities, and extinction) and between 0.05 and 0.2 dex for the equivalent widths of emission lines ([O II], Hß, [O III], Ha, [N II], [S II]). We also obtained good results for emission-line ratios, such as log [N II] /Ha, log [O III]/Hß, log Ha/Hß, and log [O III]/[O II], with dispersions within 0.09 dex for lines with equivalent width W > 5 Å. Tests at different redshifts (z = 0.02, 0.04, and 0.06) showed that stellar properties remain equally well recovered, while the dispersion in nebular properties increases by only ~0.1 dex. Results for the galaxy NGC 1365 based on S-PLUS data cubes confirmed the robustness of the method, producing emission-line and stellar property maps consistent with those obtained from MUSE integral field spectroscopy. The methodology was then applied to J-PLUS data cubes of galaxies in the M101 and M51 groups. We derived spatially resolved maps of stellar and nebular properties and explored correlations among them for all group members. Both groups show trends consistent with literature results, following the star-forming main sequence and exhibiting a clear downsizing effect. The M101 group appears dynamically young, with galaxies that preserve their inside-out formation gradients, maintain widespread star formation, and show no evidence of environmental quenching. In contrast, the M51 group shows signatures of more advanced evolution, with flatter age and metallicity gradients, higher dust content, and evidence of environmental quenching in some galaxies. These differences reflect the distinct dynamical stages of the two groups and illustrate the impact of environment on galaxy evolution, even in relatively low-mass systems. The results presented in this thesis demonstrate that the combination of S/J-PLUS multiband photometry with the AlStar code allows for analyses analogous to integral field spectroscopy, enabling robust comparisons of large galaxy samples in different environments. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2025.