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Sistemas Complexos. Luiz Renato Fontes

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Academic year: 2021

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(1)

Luiz Renato Fontes

(2)

Modelo de Ising (ferromagn´etico) em Zd

Spins emZd

S={−1,+1}Zd . . . configura¸oes de spins em Zd.

(3)

Material (ferro)magn´etico em equil´ıbrio termodinˆamico:

ΛZd, finito;SΛ={−1,+1}Λ

Energia/Hamiltonianodeσ∈ SΛc/cond de fronteiraη∈ SZd

HΛη(σ) = X

x,y∈Λ

JxyσxσyX

x∈Λ

hxσx X

x∈Λ,y∈Λ/

Jxyσxηy,

ondeJxy 0,x,yZd;Jxy = 0, sekxyk16= 1: ctes de acoplamento;

(hx)x∈Zd [0,∞)Zd: campo externo.

Eventual/e: Jxy J>0,x y ;hx 0;η +1 ou 0 Medida de Gibbs: µηΛ(σ) = 1

ZΛη exp{−βHΛη(σ)},σ∈ SΛ, onde β 0 (par: inv temp); ZΛη = X

σ∈SΛ

e−βHΛη(σ): normaliza¸ao

Cada par conta s´o uma vez na soma.

Not: x y sekxyk1= 1;x,y ditosvizinhos mais pr´oximos

(4)

Obs. (hx ≡ 0; η ≡ +1 ou η ≡ −1)

1) Competi¸c˜ao entre confs alinhadas (com maiores pesos de Gibbs individuais) e confs desordenadas (em maior n´umero), mediada p/β;

2) Qto maiorβ, maior o peso das confs alinhadas;

3) Em vol finito,β >0: tendˆencia de alinha/o com a fronteira;

4) Em volinfinito: tendˆencia pode desaparecer;

5)Jxy J>0,xy, vol∞,d 2: trans. fase;βc (0,∞):

a) seβ < βc, alinhamento desaparece;

b)β > βc: alinhamento persiste (magnetiza¸ao espontˆanea);

6)Jxy J,xy,d = 1: n˜ao h´a magnetiza¸ao espontˆanea;

7)Jxy J,xy,hx h>0: alinha/o com o campo vence.

(5)

De agora em diante: η+1 (fronteira +) ou0 (fronteiralivre) (substη por + ou 0, resp, emH,µ eZ).

Dado∅ 6=AΛ eσ ∈ SΛ, sejaσA =Q

x∈Aσx; e σ = 1.

Not: 1) Dadaf :SΛRe = + ou 0:

hfiΛ=µΛ(f) = Z

f(σ)dµΛ(σ) = X

σ∈SΛ

f(σ)µΛ(σ), 2)A;σBiΛ=AσBiΛ− hσAiΛBiΛ.

Proposi¸ao 1. (6=0s de Griffiths)

∀A,B Λ e= + ou 0 (i)AiΛ0;

(ii)A;σBiΛ0.

(6)

6=0s Griffiths

Dem.Basta fazer o caso= 0, pois Ai+Λ = limh→∞Ai0¯

Λ, (0)

onde ¯Λ = Λ+Λ,+Λ ={y / Λ : x y}, e hx h em+Λ.

(i) Basta mostrar que X

σ∈SΛ

σAexpn X

x,y∈Λ

Jxyσxσy+X

x∈Λ

hxσxo

0 (1)

incorporado nos Js ehs, spg).

Sejam{ei,i ∈ M={1, . . . ,M}} e {xj,j ∈ N ={1, . . . ,N}}

enumera¸oes dos elos e s´ıtios de Λ, resp; fa¸camosJi =Jei =Jyi,zi, σei =σyiσzi, onde yi,zi ao as extr deei, e hj =hxj; ent˜ao

exp{· · · }=

X

n=1

1 n!

n

X

k=0

n k

X

σ

σA X

i∈M

Jiσeik X

j∈N

hjσxjn−k

(7)

Expandindo as potˆencias, temos, resp, X

(i1,...,ik)∈Mk

Ji1...ikσei

1...eik, X

(j1,...,jn−k)∈Nn−k

hj1...jn−kσxj

1...xjn−k, ondeJi1...ik =Ji1· · ·Jik 0;σei

1...eik =σei

1· · ·σeik, e similarmentehj1...jn−k 0 e σxj1...xjn−k.

Logo, o lado esq de (1) fica:

X

n=1

1 n!

n

X

k=0

n k

X

i1,...,ik

Ji1...ik X

j1,...,jn−k

hj1...jn−kX

σ

σF

z }| { σAσei

1...eikσxj

1...xjn−k, para certoF Λ (que pode ser ∅).

Basta agora verificar que seF 6=∅, ent˜ao X

σ∈SΛ

σF = Y

x∈Λ\F

X

σx∈{−1,+1}

1

| {z }

2

×Y

x∈F

X

σx∈{−1,+1}

σx

| {z }

0

= 0 (i)

(8)

Dem. Griffiths (ii)

Sejaσ0 uma c´opia indep deσ, ie,σ0 tem distr marg µ0Λ=µ (omitimos ´ındices 0 e Λ no resto da dem) e ´e indep de σ; ent˜ao A;σBi=AσBi − hσAihσBi= 12h(σAσA0)(σBσB0 )i. (2) Sejam agora, paraxΛ,τx = σx +σx0

2 , τx0 = σxσ0x

2 ; ent˜ao σAσA0 = Y

x∈A

σx Y

x∈A

σx0 = Y

x∈A

x+τx0)Y

x∈A

x τx0)

= X

C⊂A

Y

x∈C

τx

| {z }

τC

Y

x∈A\C

τx0

| {z }

τA\C0

1(−1)|A\C|

| {z }

aC≥0

= X

C⊂A

aCτCτA\C0 ;

AσA0)(σB σB0 ) = X

C⊂A D⊂B

aC bD

|{z}

1−(−1)|B\D|

τCτDτA\C0 τB\D0 (3)

(9)

Repetindo:

AσA0 )(σBσB0 ) = X

C⊂A D⊂B

aCbD τCτDτA\C0 τB\D0 (3) Por outro lado (incβ nosJs e hs),

µ(σ)µ(σ0) = 1

Z2 expn X

x,y

Jxy˜

z}|{2Jxyxτyx0τy0)

z }| { Jxyxσy +σx0σy0) +X

x

2hxτxhxτx

z }| { hxx +σx0)

o

(4)

Z2h(σAσA0)(σB σB0 )i= X

C⊂A D⊂B

aCbD

X

τΛΛ0∈S0Λ:={−1,0,+1}Λ

τCτDτA\C0 τB\D0 expn X

i

J˜iei+τe0i) +X

j

˜hjτxj

o

(5)

(10)

Dem. Griffiths (ii) (cont)

A soma interna em (5) pode ser escrita da seguinte forma:

X

τΛΛ0∈S0Λ

τCτD expn X

i

J˜iτei +X

j

˜hjτxjo

τA\C0 τB\D0 expn X

i

J˜iτe0

i

o

= X

τΛ∈SΛ0

τCτD expn X

i

J˜iτei+X

j

h˜jτxj

o× (6)

× X

τΛ0∈S0Λ

τA\C0 τB\D0 expn X

i

J˜iτe0

i

o

(7)

Os fatores em (6,7) s˜ao similares — no segundo o campo externo ´e0.

Basta mostrar que o primeiro ´e0.

(11)

Procedendo como em (i), expandindo a exp, a expr em (6) pode ser escrita como a soma de termos0 multiplicando termos da forma

X

τΛ∈SΛ0

Y

x∈F

τxkx, com F Λ ekx ∈ {0,1,2},xΛ.

Como na parte (i), esta soma ´e um produto de fatores obviamente positivos multiplicado por produto de termos da forma

X

τx∈{−1,0,+1}

τxkx, p/algum xΛ.

Cada uma destas somas acima ´e obvia/e 0, sekx = 0 ou 2;

e se anula, sekx = 1; de toda forma, ´e sempre 0.

Logo, a expr em (5) ´e 0, e o resultado segue da subst em (2).

(ii)

(12)

6=0s Griffiths — Corol´arios

1) DadoAΛ,AiΛcresc em cadaJxy e hx,x,y Λ, e emβ.

Pois, tomando a derivada deAiΛ em rela¸c˜ao a qquer um destes argumentos, basta notar que ´e0:

d

dhxAiΛ=A;σxiΛ, dJd

xyAiΛ=A;σ{x,y}iΛ ao ambas0 por Griffiths (ii).

2) De (0) e de 1), segue queAi0Λ≤ hσAi+Λ.

3) ”hσAiΛ ´e crescente emd.” Sejad 2 e suponha que AZd−1× {0}; sejaA={xZd−1 : (x,0)A}.

De 1): AiΛ≥ hσAiΛ, onde Λ={x Zd−1: (x,0)Λ}.

(13)

6=s Griffiths — Corol´arios (cont)

4) SeAΛΛ0, ent˜ao: a) Ai0Λ≤ hσAi0Λ0, e b) Ai+Λ ≥ hσAi+Λ0. Checagem de a): explicitando dep emJ={Jxy}, temos que Ai0Λ(J) =Ai0Λ0(J0), comJxy0 =

(Jxy, sex,y Λ;

0, c.c.

Checagem de b): explicitando dep emh={hx}, temos que Ai+Λ(J) = limh→∞Ai+Λ0(h+), comJxy+ =

(hx, sex Λ;

h, c.c.

40) De 4) segue que, dada (Λn)n≥1 uma seq cresc (na ordem de inclus˜ao) de subcjs finitos deZd tq n≥1Λn=Zd. Ent˜ao∀AZd finito, os seguintes limites existem (por monotonicidade)

Ai := limn→∞AiΛ

n,= 0,+, (?)

e n˜ao dependem da particular seq (Λn)n≥1 satisfazendo as conds acima. (Verifique!)

(14)

Limite termodinˆamico

Para= 0,+, de 40) acima segue que os limitesAi,AZd finito, definidos acima, podem ser usados para obter medidas de probabilidadeµ em (S,G), ondeS ={−1,+1}Zd e G ´e a σ-´algebra gerada pelos subcjs cilindr´ıcos de S tq

µA) =Ai ∀AZd finito.

(Isto segue do fato de qq f¸c cil´ındrica f :S →R´e uma comb linear deσA’s comA0s finitos.)

Pelo restante deste t´opico do curso, vamos nos ater a estas medidas de Gibbs em volume infinito, em particular, µ+. ao ´e dif´ıcil checar que as ppddes de monotonicidade deµΛ estabelecidas acima s˜ao herdadas por µ.

inclusiveA=

(15)

Vamos tomar o modelo sem campo, ie, comhx 0. Neste caso, temos a simetria por troca global de spinsσx → −σx ∀x em µ0Λ para todo Λ finito, e ent˜ao tb emµ0. Logo a magnetiza¸aoda origem c/ fronteira livreµ00) =0i0= 0.

ao ´e dif´ıcil ver por um argumento direto que se houver um caminhoγ (no mesmo sentido usado em percola¸ao) ligando a origem `a fronteira de Λ finito tqJ·>0 em todos os elos de γ, e seβ >0, ent˜ao 0i+Λ >0. (Veremos um argumento indireto adiante.)

Mas isto n˜ao garante que0i+>0 para todoβ >0, mesmo que Jxy seja uniforme/e positivo para todo elo vizinho mais pr´oximo hx,yide Zd (na linguagem de percola¸ao).

A seguir definimos o parˆametro cr´ıtico do modelo.

(16)

Transi¸c˜ao de fase (cont)

βc= sup{β 0 :0i+= 0}

{· · · }´e n˜ao-vazio (verifique que cont´em 0), mas pode ser ilimitado, neste casoβc=∞. Pela monotonicidade emβ:

0i+

(= 0, seβ < βc;

>0, seβ > βc.

Diremos que o modelo de Ising exibetransi¸c˜ao de fase(n˜ao trivial) seβc (0,∞).

Veremos que o modelo de Ising homogˆeneo (Jxy J>0, xy) sem campo ext (hx 0) exibe transi¸ao de fase em d 2.§ Isto ser´a feito, diferentemente do mais usual, por meio de uma representa¸ao do modelo de Ising em termos de um modelo de percola¸ao dependente, que por sua vez ser´a comparado com o modelo independente que j´a estudamos.

Come¸camos a seguir pelo modelo de percola¸ao dependente.

§Pode-se mostrar queβ =emd= 1.

(17)

Vamos voltar ao quadro do modelo de percola¸ao, desta vez em volume finito.

SejamQn={−n, . . . ,n}d,En={hx,yi ∈ Ed : x,y ∈ Qn}, En+={hx,yi ∈ Ed : x∈ Qn}, e∂En+1 =En+1\ En+.

Seja Ωn={0,1}En+ o esp de confs de elos fechados e abertos de Q+n ={yZd : yx para algum x∈ Qn}(como no mod de perc, mas em vol fin), e seja

an= Ωn× {1}∂En+1 o esp de confs de elos fechados e abertos de Qn+1 em que os elos de ∂En+1 est˜ao todos abertos (amarrados).

Paraωn,ω0an tqω0|E+

n =ω, sejaN(ω) o n´umero de aglomerados distintos determinados porω0 emQn+1.

Obs. Aglomerados distintos de Ωn (usando s´o elos de ω) que tocam+Qn:=Q+n \ Qn fazem parte de um mesmo aglomerado qdo adicionamos os elos abertos/amarrados de∂En+1.

(18)

MAA (cont)

ω2(linhas escuras);N(ω) = 5 Sejamp[0,1] eq >0 parˆametros. Seja a prob em Ωn

φn(ω) =φp,qn (ω) = Z1

nqN(ω)P(ω), (8)

ondeP=Pp ´e a prob produto em Ωn tq ωe P Bernoulli(p), e∈ En+, (como em perc indep), eZn´e a normaliza¸ao:

Zn=Zn(p,q) =P

ω∈ΩnqN(ω)P(ω) =E(qN). (9)

(19)

1)φp,1n ´e o modelo de perc indep (emQ+n);

2) Paraq 6= 1, trata-se de um modelo de percdependente, ie, as va’sωe,e ∈ En+ ao dependentes.

3) Veremos adiante que h´a uma repr simples da medida de Gibbs µ+Qn do modelo de Ising em termos deφp,2n (modelo dependente), comp =p(β) uma f¸c deβ a ser explicitada. Isto pode parecer n˜ao facilitar muito, pois transferimos a an´alise de µ+Q

n para φp,2n , que ao ´e particularmente simples, a n˜ao ser que podemos comparar φp,qn com q >1 a φp,1n , que ´e o caso indep, por cima e por baixo.

Com isto, obteremos o resultado de trans de fase para o modelo de Ising a partir do resultado de trans de fase que j´a obtivemos para percola¸ao independente.

(20)

Desigualdades de compara¸c˜ao

Proposi¸ao 2. (6=0s de compara¸ao)

Paraq 1, existe p0=p0(p,q) cont em (p,q), cresc emp, tq p0(1,q) = 1 e para todo n0 e X :En+ Rcrescente, temos

φpn0,1(X)φp,qn (X)φp,1n (X), (10) ondeφ···(X) ´e a esperan¸ca de X sob φ···.

Dem.Segue do Exerc´ıcio 2 da Lista 2.

Obs. 1) Podemos de fato tomarp0 = p+(1−p)qp = 1 1

pq−(q−1), (11) o que indica a monotonici// emp, mas tb emq (p0 & em q).

2) Sejam a esfera emL1 centrada em 0 de raio k,

Sk ={xZd : kxk1 =k}, e ∂Sk =Sn\Sk−1,k 1, e o evento{0∂Sk}=x∈∂S {0x}.

(21)

FazendoX =1{0↔∂Sk} em (10),k n+ 1:

φpn0,1(0∂Sk)φp,qn (0∂Sk)φp,1n (0∂Sk).

Sejam agora θq(p) = lim

k→∞lim inf

n→∞ φp,qn (0∂Sk);

θ+q(p) = lim

k→∞lim sup

n→∞

φp,qn (0∂Sk)

Ent˜aoθ(p0) =θ1(p0)θq(p)θq+(p)θ1(p) =θ(p), e logo θ+q(p) = 0, sep<pc; eθq(p)>0, sep0>pc p>pˆc:=fq−1(pc), ondefq(p) =p0(p,q)

(11): fq−1(r) = qr 1 + (q1)r

. (12) (”Transi¸ao de fase n˜ao trivial”no MAA em d2: pc<1pˆc <1;

MAA ”trivial”emd = 1).

(22)

Obs.

3) O limiteφp,q:= limn→∞φp,qn existe (como uma prob em (Ω,F)) para q 1 e θq(p) =θ+q(p) =:θq(p) =φp,q(|C|=∞).

θq(p)% em p; fazendo pc(q) = sup{θq(p) = 0}, e logo θq(p)

(= 0, sep<pc(q);

>0, sep>pc(q); (12): ˆpc pc(q)pc. (MAA exibe trans fase n˜ao trivial emd 2 e ´e trivial em d = 1.) 4) Podemos definir um outro MAA emQn, desta vez comfronteira livre, ie, sem aamarra¸aoda fronteira imposta acima. Este modelo tb se relaciona com o modelo de Ising, mas o com fronteira livre.

O limite emn do modelo livre tb existe e tem propriedades semelhantes `as do modelo amarrado.

(23)

Vamos estabelecer uma repr do modelo de Ising homogˆeneo e sem campo (Jxy J >0,x y;hx 0) com fronteira + em termos de um MAA comq= 2 ep=p(βJ) adequado.

Vamos come¸car tomandoJ = 1 spg (ou incorporandoJ emβ).

Dadoσ∈ Sn:=SQn, usando a not σe intr no slide 6 (abaixo de (3)) µ+n(σ) :=µ+Q

n(σ) = 1 Zn+

eβ

P

e∈E+ n σe

= 1 Zn0eβ

P

e∈E+ ne−1)

, (13)

comσ|+Qn +1. (14)

Ofator de Gibbsdeσpode ser escrito da seguinte forma:

Q

e∈En+eβ(σe−1)=Q

e∈E+n(pδe(σ) + (1p)),

ondep= 1e−2β eδe(σ) =1e=1}. Expandimos o produto:

X

ω∈Ωn

Y

e∈En+e=1

(pδe(σ)) Y

e∈En+e=0

(1p) =

(24)

Representa¸c˜ao FK (cont)

= X

ω∈Ωn

Y

e:ωe=1

δe(σ) Y

e:ωe=1

p Y

e:ωe=0

(1p) = X

ω∈Ωn

χσ(ω)P(ω), (15) onde

χσ(ω) =1tem o mesmo sinal em cada o aglomerado de (Q+n, ω)}.

Logo,Zn0 =P

σ∈Sneβ

P

e∈E+ ne−1)

=P

ω∈Ωn

P

σ∈Snχσ(ω)P(ω). (16) Recordando (14), concluimos que a soma interna em (16) vale 2N0(ω), ondeN0(ω) ´e o # de aglomerados de (Q+n, ω) que n˜ao tocam+Qn. Note queN0(ω) =N(ω)1. Logo

Dadoωn, sejaC1, . . . ,CN uma enum dos aglos6=0s de (Q+n, ω), ondeN=N(ω), tqC1´e o aglom da fronteira. Ent˜ao:

(25)

χσ(ω) =1{σ|C1 +1}QN

i=21{σ|Ci ≡ −1 ou +1}

= 2N−11{σ|C1 +1}QN i=2

1

21{σ|Ci ≡ −1 ou +1}

= 2N−1Pω(σ), (17)

onde, dadaωn eC1, . . . ,CN,Pω ´e a prob emSn que atribui spin +1 aos s´ıtios deQn conectados `a fronteira (∂+Qn) — ie, a C1∩ Qn —, e, para os s´ıtios de cadaCi, atribui o mesmo spin −1 ou +1, escolhido uniformemente ao acaso, e de forma

independente paraCis 6=0s.

Subst (17) em (15) e (16), segue de (13) que µ+n(σ) = 2

Zn X

ω∈Ωn

Pω(σ) 2N(ω)−1P(ω) = X

ω∈Ωn

Pω(σ) 1

Zn2N(ω)P(ω), ondeZn=Zn(p,2). Em outras palavras:

µ+n(σ) = X

ω∈Ωn

Pω(σ)φp,2n (ω). (18)

(26)

Magnetiza¸c˜ao

De (18), amagnetiza¸c˜ao 0i+n =µ+n0) =P

ω∈ΩnPω0)φp,2n (ω).

Dadaωn, se 0 n˜ao estiver conectada `a fronteira deQn por um caminho aberto deω (ie, se 0∈ Ci para algum i = 2, . . . ,N(ω)), ent˜ao Pω0) ´e a esperan¸ca da distr unif em {−1,+1}, e logo Pω0) = 0.

Por outro lado, se 0 estiver conectada `a fronteira (ie, se 0∈ C1), ent˜ao Pω0) = 1.

Logo0i+n =φp,2n (0+Qn), e de (10):

Pp0(0+Qn)≤ hσ0i+n Pp(0+Qn).

Tomandolimn→∞: θ(p0)

(i)

≤ hσ0i+(ii)θ(p), (19) ondep = 1e−2β e p0 = 2−pp = 1−e1+e−2β−2β. (20)

(27)

De (19) e (20) e dos resultados para percola¸ao independente:

1) Emd= 1,p<1 para todoβ <∞, e logo de (19ii)0i+= 0, e o modelo de Ising unidimensional ´e trivial.

2) Emd2,pc <1:

a) se 1e−2β <pc β <logq

1

1−pc, ent˜ao0i+ (19= 0;ii) b) se 1−e1+e−2β−2β >pcβ >logq

1+pc

1−pc, ent˜ao0i+(19i)> 0;

logo, o modelo de Ising exibe trans de fase ˜n trivial emd2 e logq

1

1−pc βclogq1+p

c

1−pc

20) Emd= 2, temos cotas expl´ıcitas (pois sabemos quepc = 1/2):

log

2βc log 3 (Sabe-se, neste caso, queβc = logp

1 + 2.)

3) Podemos mostrar em geral que se0i+= 0, ent˜aoµ+=µ0, ie, as medidas de Gibbs em volcom fronteira livre e + s˜ao iguais (o que obvia/e n˜ao ´e caso seµ+0) =0i+>0 =µ00)).

Referências

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