INSTITUTO DE FÍSICA
PÓS-GRADUAÇO EM FÍSICA
Dissertação de Mestrado
Desloalização de Ondas Aústias em
Sistemas Unidimensionais não Periódios
Alex Emanuel Barros Costa
Maeió
Desloalização de Ondas Aústias em
Sistemas Unidimensionais não Periódios
DissertaçãoapresentadaaoInstituto
de Físia da Universidade Federal
de Alagoas, omo parte dos réditos
para a obtenção do título de Mestre
em Ciênias.
Orientador: Prof. Dr. Franiso
Analeto Barros Fidelis de Moura
Maeió
Catalogação na fonte
Universidade Federal de Alagoas
Biblioteca Central
Divisão de Tratamento Técnico
Bibliotecária Responsável: Helena Cristina Pimentel do Vale
C437d Costa, Alex Emanuel Barros.
Deslocalização de ondas acústicas em sistemas unidimensionais não perió-
dicos / Alex Emanuel Barros Costa. – 2011.
54 f. : il., grafs.
Orientador: Francisco Anacleto Barros Fidelis de Moura.
Dissertação (mestrado em Física da Matéria Condensada) – Universidade
Federal de Alagoas. Instituto de Física. Maceió, 2011.
Bibliografia: f. 50-54.
1. Ondas Acústicas – Localização. 2. Aperiodicidade. 3. Correlação. 4. De-
sordem. 5. Sistemas acústicos. I. Título.
aos meus pais Emanuele Marisa,
aos meus irmãos
Após dois anos de intensa dediação para a onretização de mais uma etapa
de minha formaçãoaadêmio/prossional, enm,hega omomento de agradeer
àqueles queontribuíramdas mais diversas formas, e estiverampresentes durante
esse período.
Agradeço aDeuspor meonederforça esabedoriapara lidar omas
adversi-dades que surgem,e por sempre sefazer presente nos mais diversos momentosde
minha vida.
A minhaesposa Larissa, portodo seu amor, arinhoe alegria que tenho
ree-bido durante todo esse tempo. Agradeço por sua paiênia e apoio nos diversos
momentosque tantopreisei.
Agradeçoaosmeuspaispeloamor,dediaçãoeonançaonstantes, porterem
inentivado e investido na minha eduação. Aos meus irmãos, Lilyan, Emanuelle
e Vitor, peloarinho eamizade etambém aos demaisfamiliares pelo apoio.
Ao meu orientador prof. Franiso Fidelis: peloonheimento ompartilhado
e onstruído durante o mestrado, pelo trabalho onjunto realizado durante esse
tempo,que foi araterizadopelaseriedade eompromisso.
Ao prof. Marelo Lyra pelas indiações de referênias esseniais para a
quali-dade do meu trabalho, assim omo por ter ontribuído, revisando, os artigos que
forampubliados.
Ao prof. Glauber por ter ontribuído para minha formação ientía durante
agraduação, eporsuasindiaçõesde referênias pertinentes eimportantes paraa
Aos meus olegas: Filipe, Riardo, Henrique, Fred, Neto, Lidiane, Satiko,
Gabeh, Anderson, Paulo, Wandearley,Thayla, Janderson e Max.
Aos professores doIF que ontribuírampara aminha formação ientía.
Aos demaisamigos dapós-graduaçãopelaagradável onvivênia.
À CAPES por possibilitar a ontinuidade dos meus estudos graças ao apoio
Nesta dissertação de mestrado estudamos numeriamenteapropagação de
on-das aústias em meios não periódios unidimensionais. Nós nos onentramos
emdois tiposde meios: (1)om distribuição daelastiidadepossuindoorrelação
de longo alane e (2)om distribuição aperiódia pseudo-aleatória. No primeiro
aso,aelastiidadedadistribuiçãoaleatóriaéassumidater umespetrode
potên-ia
S
(
k
)
∼
1
/k
α
. Usando ométododematrizde transferêniaresolvemosaversão
disreta da equação da onda esalar e alulamos o omprimento de loalização.
Alémdisso,apliamosométodode diferençanitade segunda ordemparaas
var-iáveis temporal eespaial e estudamos a natureza das ondas que sepropagam na
adeia.
Nossos dadosnumériosindiamapresençade ondasaústiasestendidaspara
altograudeorrelação. Emontrasteomorrelaçãoloal,demonstramos
numeri-amente que orrelações de livre-esala promovem uma fase estável om ondas
aústias livre no limite termodinâmio. No outro aso, a distribuição das
on-stantes elástias foramgeradas usando uma função senoidal uja fase varia omo
uma lei de potênia,
φ
∝
n
ν
, onde
n
rotula as posições ao longo da rede. Aoonsiderarnovamenteumaversãounidimensionaldisretizadadaequaçãode onda
e uma reformulação da matriz reursiva nós alulamos o omprimento de
loal-izaçãodentrodafaixade freqüêniaspermitidas. Nossosdadosnumériosindiam
a presença de ondas aústias propagantes om freqüênia diferente de zero para
Palavras-have: Ondas Aústias- Loalização, Aperiodiidade, Correlação,
In this Master degree thesis we numerially study the propagationof aousti
wavesinone-dimensionalnonperiodismedium. Wefousontwokindsofmedium:
(1) a media with sale-free long-range orrelated elastiity distribution and (2)
mediumwithanaperiodipseudo-randomelastiitydistribution. Intherst ase,
the random elastiity distribution is assumed to have a power spetrum
S
(
k
)
∼
1
/k
α
. By using a transfer matrix method we solve the disrete version of the
salarwaveequationand omputethe loalizationlength. Inaddition,weapplya
seond-order nite-dierene method for both the time and spatial variables and
study the natureof the waves that propagate in the hain.
Our numerial data indiatethe presene of extended aousti waves for high
degree of orrelations. In ontrast with loalorrelations, we numerially
demon-strated that sale-free orrelations promote a stable phase of free aousti waves
in the thermodynami limit. In the another ase, elastiity distribution was
gen-erated by using a sinusoidal funtion whose phase varies as a power-law,
φ
∝
n
ν
,
where
n
labelsthe positionsalongthe media. Byonsideringagainadisreteone-dimensional version of the wave equation and a matrix reursive reformulation
we ompute the loalizationlength within the band of allowed frequenies. Our
numerial data indiates the presene of extended aousti waves with non-zero
frequeny forsuient degree of aperiodiity.
Keywords: Aousti Waves - Loalization, Aperiodiity, Correlation,
FOLHA DE ROSTO . . . i
DEDICATÓRIA . . . ii
AGRADECIMENTOS . . . iii
RESUMO . . . v
ABSTRACT . . . vii
1 INTRODUÇO 3 1.1 OndasAústias. . . 4
1.2 Matriz de Transferênia eomprimentode loalização . . . 6
1.3 OModelo de Anderson . . . 9
1.4 Teoria de Esala para a Transiçãode Anderson . . . 13
1.5 Violaçãoda Teoria de Esala . . . 18
2 LOCALIZAÇO EM POTENCIAIS CORRELACIONADOS 23 2.1 Distribuiçãoaleatóriaom orrelação de longoalane. . . 24
2.2 Diferença Finita . . . 27
2.3 Resultados . . . 28
3.1 Modelo . . . 40
3.2 Resultados . . . 41
4 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS 49
REFERÊNCIAS 51
INTRODUÇO
No séulo XX, as propriedades eletrnias motivaram o estudo da ondução de
elétrons emdiversos sistemas,ulminando om o surgimento dos transístores que
revoluionaram a eletrnia e trouxeram enormes benefíios à soiedade.
Ander-son [1; 2℄, nesse mesmo séulo, impulsionou os estudos da loalização eletrnia
aoprever que todos estadosem meiosdesordenados são loalizadospara sistemas
de baixadimensionalidade,independentedograude desordem. Embusada
vio-lação da Teoria de Anderson, realizada porinúmeros ientistas, pode-se armar,
hoje, que orrelação [35℄ e aperiodiidade [68℄, na desordem, são formas
on-venientes de tornar ondutores sistemas uni e bidimensionais. Algo mais peuliar
einteressantefoi aobservaçãode queofenmenode loalizaçãoeletrniasedeve
à araterístia ondulatória do elétron [9℄, o que inentivou e estimulou o estudo
daloalizaçãoemoutras lassesde sistemas.
Nasúltimasduasdéadastemresidoointeressepeloestudodepropagaçãode
ondas lássias em meios heterogêneos [1014℄. Nos anos 80, reseu o interesse
o surgimento de novos oneitos omo ristais fotnios [15℄ e ristais fonnios
[16℄, que exploram as propriedades ondulatórias da luz e do som, para ontrolar
a propagação nesses materiais. Nesse ontexto, loalização de ondas tem sido
estudadanoâmbitodeondasaústias [1720℄eeletromagnétias[21℄,permitindo
utilizaressasondas,ditaslássias,paraaaraterizaçãodemateriais,assimomo
para apliaçãotenológia. Podemositar omoexemploa riaçãode dispositivos
fotnios e fonnios que graças à propriedade da loalização de ondas, desrita
por Anderson, ltram ertas frequêniasimpossibilitando sua propagação.
A partir das onsiderações feitasaima, nosso interesse reside na investigação
de duaslasses de sistemas: aperiódioseom orrelaçãode longoalane; ambos
amplamente estudados no modelo eletrnio exibindo transição de Anderson no
regime de
d
≤
2
.Dando ontinuidade a esse apítulo, apresentaremos a equação aústia do
nosso modelo, faremos uma revisão da teoria de Anderson e dos prinipais
resul-tados dainorporaçãode orrelaçãoe aperiodiidadeemsistemas desordenados.
1.1 Ondas Aústias
Nessa seção formularemos o problema de propagação de ondas aústias em
sis-temas elástios unidimensionais [1013℄ . É didatiamente, interessante abordar
o aso da propagação de ondas em ordas estiadas antes de desrever, de forma
geral, o aso aústio. Esse simples e usual exemplo, nos fornee resultados
im-portantes para a ompreensão de diversos outros sistemas omo por exemplo, a
propagação de ondas aústias em sólidose emmembranaselástias [22℄.
Figura1.1: Umaporção
ds
de umaordaxaemambososlados. Odesloamento doequilíbrio nolado esquerdo éψ
eno lado direitoψ
+
dψ
.Seja
ds
um omprimento da orda desrita pors
(
x,t
)
. Veja a representação daorda na gura 1.1. A tensão
~τ
varia om a posiçãox
. O desloamentoψ
(
x
)
épequenoeperpendiularàdireção
x
. Amassadm
doomprimentodoseguimendode orda
ds
éρds
. As omponentes horizontaisdas tensões são aproximadamenteiguaiseopostas,sendoassim,iremosnegligeniaromovimentodaordanadireção
x
. A forçana direçãoψ
(
x
)
é:∆
F
=
ρds
∂
2
ψ
(
x,t
)
∂t
2
,
(1.1)emque
∆
F
representa adiferença datensão emx
ex
+
dx
.datensão:
(∆
F
)
y
=
−
τ
(
x
) sin(
θ
1
) +
τ
(
x
+
dx
) sin(
θ
2
)
=
−
τ
(
x
) tan(
θ
1
) +
τ
(
x
+
dx
) tan(
θ
2
)
=
−
τ
(
x
)
∂ψ
(
x,t
)
∂x
x
+
τ
(
x
)
∂ψ
(
x,t
)
∂x
x
+
dx
=
∂
∂x
τ
(
x
)
∂ψ
(
x,t
)
∂x
dx.
(1.2)assumindo que
θ
é pequeno para pequenos desloamentos, onsideramossin
θ
≈
tan
θ
.Agora igualandoasequações1.1 e1.2,para
ds
≈
dx
:∂
2
ψ
(
x,t
)
∂t
2
=
∂
∂x
τ
(
x
)
ρ
∂ψ
(
x,t
)
∂x
.
(1.3)Paraoasoemque
τ
(
x
) =
τ
,ouseja,paraordashomogêneastemosaequaçãodaonda omumente onheida:
∂
2
ψ
(
x,t
)
∂t
2
=
τ
ρ
∂
2
ψ
(
x,t
)
∂x
2
,
(1.4)emque a veloidade dapropagação daonda é
v
=
p
τ /ρ
.1.2 Matriz de Transferênia e omprimento de
lo-alização
lização dosistema. Com essa nalidade, busaremos uma representação matriial
para aequaçãode ondas aústias unidimensionaisapresentada naseçãoanterior.
A partir de então, onsideraremos a massade ada segmentoigual a
1
e portantoτ
(
x
)
/ρ
omo sendo uma medida efetiva das propriedades elástiasloais do meio(onstanteelástia efetiva
η
(
x
)
).Vamosonsiderarque
ψ
temdependêniatemporalharmniadaformaexp
−
iωt
.
Podemos,portanto, esrever
ψ
(
x,t
) =
ψ
(
x
) exp
−
iωt
sendo
ω
a frequênia daonda.Assim, a equação daonda aústiaem uma dimensão éesrita:
∂
∂x
[
η
(
x
)
∂ψ
(
x
)
∂x
] +
ω
2
ψ
(
x
) = 0
.
(1.5)
Considerandoumadisretizaçãouniformedaredeomespaçamento
∆
x
esendoi
o número do sítio ao longo da adeia, as posiçõesx
passam a ser múltiplos de∆
x
, ou seja,x
=
i
∆
x
para um modelo disretizado. Usando que:∂
∂x
[
η
(
x
)
∂ψ
(
x
)
∂x
]
≈
[
η
i
(
ψ
i
+1
−
ψ
i
)
−
η
i
−
1
(
ψ
i
−
ψ
i
−
1
)]
.
(1.6)e seguindo a referênia[10℄, vamos onsiderar
∆
x
= 1
. Assimtemos:η
i
(
ψ
i
+1
−
ψ
i
)
−
η
i
−
1
(
ψ
i
−
ψ
i
−
1
) +
ω
2
ψ
i
= 0
.
(1.7)Podemos rearranjaros termose esreverna formamatriial:
ψ
i
+1
ψ
i
=
−
ω
2
+
η
i
+
η
i
−
1
η
i
−
η
i
−
1
η
i
1
0
ψ
i
ψ
i
−
1
=
T
i
ψ
i
ψ
i
−
1
(1.8)
0
1
2
3
4
ω
10
-6
10
-4
10
-2
10
0
10
2
λ/Ν
N=2
N=2
14
17
Figura 1.2:
λ/N
para um sistema totalmente desordenado. Observe que apenas emω
= 0
há uma superposição das urvas.nosítio
i
+ 1
omossítiosi
ei
−
1
. Parauma adeiaquepossuiN
sítios,amatrizdetransferêniatotalqueonetaaamplitudenom daadeiaomasamplitudes
iniiasé
Q
N
=
Q
N
i
=1
T
i
. Dessaforma,dadaumondiçãoiniialC
0
=
ψ
1
ψ
0
,podemos
enontrar
C
N
=
ψ
N
+1
ψ
N
, umavez que
C
N
=
Q
N
C
0
.O expoente de Lyapunov, ou inverso do omprimento de loalização
λ
, édenido por:
γ
(
ω
) =
1
λ
= lim
N
→∞
1
N
ln
|
Q
N
C
0
|
|
C
0
|
.
(1.9)Consideremos duas redes om
N
= 2
14
e
N
= 2
17
elástias aleatórias, om valores igualmente distribuídos no intervalo
[1
.
5
,
2
.
5]
evejamos o omportamento do omprimento de loalização para esse sistema. A
gura1.2,mostraqueapenaspara
ω
= 0
oomprimentode loalizaçãodiverge nolimite termodinâmio; esse resultado sugere a existênia de estado desloalizado
apenas para afrequênia
ω
= 0
, isso representa que paraω
6
= 0
, todos osestadosaústios são loalizados. Esse resultado simples,demonstra oefeito dadesordem
napropagação aústiaem uma dimensão.
Comojáantestínhamosomentado,efeitosdedesordeméumtópiodegrande
interesse na Físia da Matéria Condensada, sendo bastante ompreendido para
sistemaseletrnios. Poressa razão,vamosnos situarnesseontextoapresentando
os prinipaisresultados. Na próxima seção é apresentado o modelo de Anderson,
que permitiugrandes desobertas na déadade 60 sobre loalizaçãoeletrnia.
1.3 O Modelo de Anderson
Em 1958, P. W. Anderson [1; 2℄ apresentou um modelo que permitiuinvestigar
a natureza dos estados eletrnios em sistemas desordenados. Mostrou que na
presença de desordem a natureza da função de onda pode mudar de estendida,
omo noaso das ondasde Bloh [23℄, paraloalizada. Alémdisso, pela primeira
vez,estimouquantitativamentealarguradadesordemneessáriaparaaoorrênia
dessatransiçãoquehojeéonheidaomoTransiçãodeAnderson. OHamiltoniano
de Anderson, narepresentação de segunda quantização,é expresso por:
ˆ
H
=
X
i
E
i
C
ˆ
i
†
C
ˆ
i
+
X
i
6
=
j
Nessa expressão,
E
i
é a energia do i-ésimo sítio,T
ij
é a intregral detrans-ferênia entre os sítios
i
ej
(também onheida por amplitude hopping) eC
ˆ
†
e
ˆ
C
são, respetivamente, os operadores de riação e destruição do elétron no sítioi
. É importante destaar que, nesse Hamiltoniano as interações Coulombianasentre os elétrons são desprezadas. A desordem araterístia do modelo é
intro-duzidaesolhendo-se
E
i
paraadasítioi
deformaaleatóriadentrodeumintervalo[
−
W/
2
,W/
2]
. Ograude desordem dosistemaéontroladopeloparâmetroW
,o-nheido omo largura dadistribuição de desordem. Quando
W
= 0
é obtido umsistema ordenado, noqualtodos os sítios possui a mesmaenergia.
O modelo tridimensional de Anderson, prevê a existênia de estados
estendi-dos, para um grau de desordem menor que o grau rítio
W
c
, ou seja, em queW < W
c
. Utilizando-sedesse modelo,Andersonmostrouaexistêniadahamadaloalizaçãoda função de onda eletrnia peladesordem.
Um modo simples de disutir o modelo de Anderson é esrevendo os
auto-estados do Hamiltoniano
H
ˆ
om energiaE
em termos da expansãoψ
=
P
i
a
i
φ
i
emque
φ
i
é a função de onda de um elétronloalizadonosítioi
. Assimtemos:Ea
i
=
E
i
a
i
+
X
j
T
ij
a
j
.
(1.11)Sendo
ψ
umestadonãoestaionário,osoeientesa
i
's
dependentes dotempo,obedeerão à equação:
−
i
~
da
i
dt
=
E
i
a
i
+
X
j
T
ij
a
j
.
(1.12)termos de hopping entre os
z
primeiros vizinhos para ada sítioi
, sendo esses demesma magnitude
T
. Dessa forma a equação 1.12 de Shödinger dependente dotempo,torna-se
Ea
i
=
E
i
a
i
+
T
j
=
z
X
j
=1
a
i
+
j
,
(1.13)em que
T
é o termo de hopping entre qualquer par de sítios da rede. Porsimpli-idade, sabendo que aenergia
E
i
é amesma emtodos ossítios, onsideremosquepossui valor
E
i
= 0
. Para uma adeiaunidimensional,a equação 1.13 sereduz aEa
i
=
T
(
a
i
−
1
+
a
i
+1
)
,
(1.14)que pode ser soluionada esolhendo
a
n
=
a
0
exp
ink
. Assim, obtemosa relaçãode
dispersão para uma rede unidimensional:
E
= 2
T
cos
k.
(1.15)Portanto,abandapermitidaédadapor:
−
2
T < E <
2
T
,omlarguradebandaB
= 4
T
. Demaneirageral,paraumaredededimensãod
omnúmerodeprimeirosvizinhos
z
,alarguradebandaéB
= 2
zT
. Oasogeral,semsimpliações,emqueW
6
= 0
eT
6
= 0
,foiabordadoporAndersonutilizandométodosperturbativosparaW
eT
. Anderson demostrou om esse modelo que seW/B
for suientementegrande, oorre um transição metal-isolante em que todos os estados na banda
são exponeialmenteloalizados. Oritérioqualitativopara existênia de estados
desloalizadosédado por:
Figura 1.3: Transição de Anderson. a)Potenialperiódio om largura de banda
B
. b) Potenialaleatório om largurade desordemW
. Quando a largura dede-sordem
W
superaralarguradebandaB
,oorreloalizaçãoinduzidapordesordem.Vamos apresentar quantitativamentea origem daloalização. Consideremos o
modelode Bloh[23℄om potenialperiódio,poronveniêniaopotenial
rista-lino
U
(
r
) = 0
, ouseja, uma situação de elétron livre. Caso seja introduzida umabarreirade potenial,a esse elétron,a função de onda será parialmente
transmi-tida e reetida; se for introduzida duas barreiras a onda eletrnia será reetida
duas vezes, havendo interferênia onstrutiva ou destrutiva, que dependerá da
diferença de fase entre as ondas. O padrão de interferênia pode ser bastante
al-terado, ao onsiderar várias barreiras om poteniais aleatórios ou espaçadas de
formaaleatória,a onda sofrerá várias reexões sem manter oerêniade fase.
Es-sasreexõesausaminterferêniasdestrutivas,tornandoaondaexponenialmente
loalizada. A função de onda passa a ar loalizada em um pequena região do
Figura 1.4: Função de onda loalizada. O parâmetro
λ
mede a largura típia da função de ondae é tambémonheido omo omprimento de loalização.loalizadaexponenialmenteemumapequenaregião. Aprobabilidadedeenontar
o elétron deai exponenialmente om a distânia, ou seja,
|
ψ
| ∼
e
−|
~
r
−
~
r
0
|
/λ
. A
quantidade
λ
, onheida omo omprimento de loalização, pode ser usada paraaraterizar um estado eletrnio omo sendo loalizado ou desloalizado. Em
geral, para um estado desloalizado, nolimite termodinâmio
λ
→ ∞
.1.4 Teoria de Esala para a Transição de Anderson
Vamos agora apresentar a teoria de esala [24℄ que nos permite enontrar a
de-pendênia da transição de Anderson om a dimensão. A hipótese básia dessa
teoria é que uma únia quantidade araterístia, rotulada de ondutânia
ge-neralizada
g
, ontrola a transição metal-isolantede Andersonpara a temperaturaT
= 0
. Nessa abordagem, a teoria de esala foi apliadana reformulação domo-delo de Anderson feita porThoules [25℄. Na reformulaçãode Thoules, as unidade
fundamentais deixam de ser os sítidos atmios
i
, passando a ser hiperubos devolume
L
d
. Dessaforma,umsólidoristalinopassaaserformadoporváriasaixas
res-petivamente no espaçamento médio entre os níveis
∆
E
e emδE
que representao desloamentoausado pormudanças nas ondições de ontorno.
Utilizandooprinípiodeinerteza,podemosrelaionar
δE
omaondutividadeσ
nolimite marosópio. Através doprinípioda inerteza temos [26℄:δE
=
~
/t
D
,
(1.17)supondoqueoelétrondifundeatéosontornosdeumaaixadelado
L
desrevendoum movimento aleatórioouBrownianoemum tempo
t
D
,temos a relação:t
D
=
L
2
/D,
(1.18)em que
D
é a onstante de difusão. Com o uso da relação de Einstein entre aondutividade eas propriedadesde difusão:
σ
=
eDn
(
E
)
,
(1.19)e ombinando asequações1.17,1.18 e 1.19 temos:
δE
=
σ
~
e
2
(
L
2
n
(
E
))
.
(1.20)A densidade de estados:
n
(
E
) =
1
L
d
∆
E
.
(1.21)A razão
∆
E/δE
nesse ontexto éagora vistaomo sendo aforçade desordemFigura1.5: Comportamentoqualitativode
β
(
g
)
para uma, duase trêsdimensões. Apresentado porAbrahams, Anderson, Liiardelloe Ramakrishnamem 1979.de desordem, denotadopor
g
−
1
, possui dependênia om aesalaeédenido por:
1
g
(
L
)
≡
∆
E
δE
.
(1.22)Substituindoa equaçãoequação1.20 e1.21na1.22 ,obteremos adependênia
doparâmetro de ordemom a esala:
g
(
L
) = (
~
/e
2
)
σL
d
−
2
.
(1.23)Aequação1.23éválidaparaolimitemarosópio,umavezqueaequação1.17
generalizadaemunidadesde
e
2
/
~
,tendootermo
L
d
−
2
σ
denidoomoa
ondutân-ia de um ubo d-dimensional de lado
L
e ondutividadeσ
. Vamos investigar adependênia de
g
(
L
)
om o omprimentode esalautilizado. Com essa nalidadesupondo que
g
0
=
g
(
L
0
) =
δE
(
L
0
)
/
∆
E
(
L
0
)
seja a ondutânia generalizada paraum sistema om vários hiperubos aoplados de volume
L
d
0
. A teoria de esalaassume que, dado
g
0
em uma esala om omprimentoL
0
, podemos obterg
emuma esala maior
L
=
bL
0
. Na nova esalaL
, o parâmetrog
é ompletamentedeterminadoonheendo
g
0
e ofatorde esalab
. Para explorar oomportamentodoparâmetro
g
om aesala, vamos obter a derivada logarítimiadeg
, denotadapor
β
eexpressa por:β
(
g
) =
dlng
(
L
)
dlnL
.
(1.24)A gura 1.5 representa o omportamento qualitativo da função
β
para uma,duas e três dimensões. Para
β
positivo o parâmetrog
rese om o resimentode
L
e paraβ
negativog
derese om o resimento deL
. Vamos desrever oomportamentode
β
,observandooomportamentodeg
emseuslimitesassintóti-os, ou seja,em
g
→ ∞
eg
→
0
. Para o limitemarosópio, emqueg
é grande,podemosusar a equação 1.23 epartindo dessa relação,obtermos
β
emg
→ ∞
:lim
g
→∞
β
(
g
) =
d
−
2
,
(1.25)
ouseja,
β
(
∞
) =
+1
emd
= 3
0
emd
= 2
−
1
emd
= 1
(1.26)
modelodeAndersonprevêquetodososestadossãoloalizadosedeaem
exponen-ialmente om a distânia. Nos ontornos de uma aixa de dimensão linear
L
, aamplitudedafunçãode onda deum elétronloalizadodentrodaaixaédaordem
de
e
−
γL
, em que
1
/γ
é o omprimentode loalização. Como oaoplamento entreasaixas tambémpossuiamesmadependênia exponenialom
L
,aondutâniageneralizada
g
deai exponenialmente, portanto, usando a equação 1.24 temosque:
lim
g
→
0
β
(
g
) =
ln
(
g
)
,
(1.27)
portanto,temos oseguinteresultado queindependente dadimensão,
lim
g
→
0
β
(
g
) =
−∞
.
(1.28)
Assumindo que a função
β
(
g
)
é monotnia entre os limites deg
→ ∞
eg
→
0
, podemos reproduzir failmente a gura 1.5. Observemos atentamente oomportamentode
β
parad
= 3
. Podemos notar que, para essa dimensão existeum pontoxo instável em
β
= 0
omg
=
g
c
. Emg
c
, aondutânia independenteda esala, araterizando uma transição metal-isolantede Anderson. A prinipal
onlusão dateoria de esalaé quepara
d <
3
,emespeial emd
= 1
ed
= 2
, nãoexiste transição metal-isolanteetodos estadossão loalizados, poisaondutânia
vaisempreazeroquando
L
→ ∞
. Emanalogiaomasteoriasdetransiçõesdefasede segunda ordem, a ondutividade em orrente ontínua
σ
DC
e o omprimentoomportamentotipolei de potênia:
σ
DC
∝
(
E
−
E
c
)
s
λ
∝
(
E
−
E
c
)
−
ν
.
(1.29)Os valores dos expoentes
s
=
ν
= 1
foram numeriamente obtidos usando umaexpansãoem
d
+
ǫ
porWegner[2℄etambémporténiasdeexpansãodiagramátiapor Vollhard e Wle [2℄. Reentemente, onsiderações sistemátias de variáveis
irrelevantes eorreçõesnão linearesnateoriade esalatêm renadoosresultados,
obtendo o expoente rítio om maior preisãonuméria
ν
≈
1
.
57
[2℄.1.5 Violação da Teoria de Esala
Até então, vimos que a teoria de esala para o modelo de Anderson prevê que
todos os estados são loalizadosem sistemas de baixa dimensionalidade, ou seja,
em
d
≤
2
para qualquer grau de desordem; e também, prevê a possibilidade deuma transição metal-isolantepara um sistema tridimensional. Entretanto, vários
trabalhosreentestêmapresentado transiçõesmetal-isolanteemsistemasde baixa
dimensionalidade,parasistemasomdesordemorrelaionadaousistemas
pseudo-aleatórios, resultados não previstos pelo modelo de Anderson original.
Emmeadosdadéadade
80
,váriostrabalhosenvolvendomodelostight-bindingunidimensionais om poteniais inomensuráveis revelaram a presença de uma
transição metal-isolante. Por exemplo, um potenial do tipo
ǫ
n
=
V
cos
k
|
n
|
ν
onde
k
= 2
πα
eα
é um número irraional entre0
e1
apresenta vários−
2 +
V < E <
2
−
V
e estados loalizados nas faixas2
−
V < E <
2 +
V
e−
2
−
V < E <
−
2 +
V
paraV <
2
,enquantoque todosos estadossão loalizadospara
V >
2
. Paraν
= 1
os estados eletrnios são loalizadosseV >
2
eestendi-dos se
V <
2
. Para1
< ν <
2
todos osestados são loalizados, mas o oeientede Lyapunov se aproxima de zero no entro da banda. Finalmente, para
ν >
2
o sistema se omporta omo um modelo de Anderson unidimensional e todos os
estados são exponeialmenteloalizados.
Em1990, Dunlapeolaboradores[3℄atravésdomodelode tight-binding
unidi-mensional,estudaramuma adeiaompostaporumaligabinária. Asenergiasdos
sítios, nessemodelo, podem assumirvalores
ǫ
a
eǫ
b
. Ossítiosde energiaǫ
a
sempreapareem empares ,tendo probabilidade
p
de apareerenquantoǫ
b
probabilidade1
−
p
. O termode hoppingentre osprimeirosvizinhos éonstante eigual at
. Foimostrado nesse trabalhoque se
−
2
t < ǫ
a
−
ǫ
b
<
2
t
o sistema apresenta umaener-gia ressonante em que a função de onda é desloalizada. Uma série de trabalhos
envolvendo orrelaçõestipodímerossurgiramdesde então sempreom osmesmos
resultados: divergênia doomprimentode loalizaçãoemalgumasenergias
ríti-as [2732℄. A diferença fundamental entre o modelo de Anderson original e os
modelos de dímeros é a existênia de orrelações nas energias dos sítios. Wu e
Phillips [27℄ mostraram que a distribuição de desordem na polianilinaé desrita
exatamente por este modelo de dímeros aleatórios. A existênia desses estados
estendidos ressonantes foram veriadas por Bellani et al [33℄ em experimentos
om super-redes de dímerosaleatórios(GaAs-AlGaAs).
Em1998,MouraeLyra[4℄estudaramum modelodeAndersonunidimensional
orrela-de um movimentoBrowniano fraionário,ujo adensidade espetral é dada por:
S
(
k
)
∝
1
k
α
,
(1.30)em que
S
(
k
)
é a transformada de Fourier da função orrelação entre dois pontos< ǫ
i
ǫ
j
>
. O parâmetroα
mede o grau de orrelação da sequênia. Paraα
= 0
reupera-se uma sequênia ompletamente desorrelaionada. Através do
forma-lismode grupo de renormalização, Moura eLyra [34℄,mostraram que para
α >
2
estesistemapodeexibirumafasedeestadosestendidosnoentrodabanda. Esses
resultadossão importantes,poispelaprimeiravez foiapresentada umaverdadeira
transição metal-isolanteemsistemasunidimensionais. Namesmaépoa,em1999,
Izraileve Krokhin [35℄ mostraram tambéma existêniade transição de Anderson
para sistemas unidimensionais possuindo orrelação de longo alane, através do
uso dateoriade perturbaçãode segunda ordem. Aindaem1999,resultados
seme-lhantesaesses foramobtidospelogrupode IzraileveKrokhin[5℄. Utilizandouma
teoria de perturbação de segunda ordem obtiveram uma transição metal-isolante
em sistemas om desordem orrelaionada. A presença de uma verdadeira fase
metália em sistemas om orrelações de longo alane na distribuição de
desor-demvemhamandoaatençãodaomunidadeientíaemotivandomuitosestudos
teórios e experimentais. Podemos itar a observação experimental de
transmis-são de miro-ondas em guias retangulares om espalhadores orrelaionados [36℄.
Nesse experimento,os espalhadoresoloadosnoguiade ondas, sãoparafusos
mi-rométrios(vergura1.6)ujasdimensõessão orrelaionadas. Elesenontraram
uma faixa de frequênias [
ω
1
Figura1.6: Aparato experimental doguia de ondausado na referênia[36℄.
mostrandoapresençade transiçãode Andersonemsistemasunidimensionais. Em
2008, Sahimi e olaboradores [10℄, apresentaram resultados para a propagação
de ondas aústias em sistemas unidimensionaisom orrelações tipo dímeros na
distribuição de desordem. Através do método da matriz transferênia, álulo
analítio e diferença nita, mostraram a existênia de um estado estendido para
uma frequênia de ressonânia
ω
c
. O valor deω
c
depende diretamente do tipode dímero utilizado. Propagação de ondas aústias em meios om orrelações
tipo lei de potênia também vêm sendo estudadas através de métodos de grupo
de renormalização bem omo métodos numérios [1114℄. Resultados indiam a
existênia de estados aústios estendidos para quaisquer dimensões topológias.
Considerando esse ontexto, nessa dissertação, estudamos através do método
da matriz transferênia e diferença nita, os efeitos das distribuições de
elastii-dades não-periódias nas propriedades de transmissão aústia em baixa
dimen-sionalidade. Vamosadaptardistribuiçõesnãoperiódiasjáestudadaspreviamente
em sistemas quântios eletrnios e magnétios [4; 37; 38℄ para sistemas
omo sistemas aperiódios. No apítulo 2, vamos apresentar nossa análise sobre
transporte de ondas aústias em sistemas om orrelações de longo alane e no
apítulo3emsistemasaperiódios. Porm,umbreveapítuloomasonlusõese
LOCALIZAÇO DE ONDAS
ACÚSTICAS EM POTENCIAIS
COM CORRELAÇO DE LONGO
ALCANCE
Noapítuloanterior,explanamos aimportâniadoestudosobreoefeitode
desor-dem em diversos sistemas. Neste apítuloapresentaremosum estudonumério da
equaçãodeondaaústianapresençade umadistribuiçãodeelastiidadeom
or-relaçõesdelongoalane. Emnossoestudovamosgeraraonstanteelástiaefetiva
do meio através do traço de um movimentoBrowniano fraionário. Basiamente
vamos onstruir uma distribuição quepossui densidade espetral
S
(
k
) =
k
−
α
, em
que
k
= 1
/λ
eλ
é o omprimento de onda das modulações da distribuição. Oparâmetro
α
medeo grau de orrelação dadistribuição.S
(
k
)
é obtidotomandoade gerar esse tipo de distribuição é através do movimento Browniano fraionário
(MBF) que será apresentando na próxima seção. Após entender omo gerar
nu-meriamenteumadistribuiçãoomorrelaçõesdelongoalanevamosintroduzira
mesma,omo sendoasonstantes elástiasnaequação de ondaaústiaeestudar
o efeitodesta orrelação usandométodos numérios usuais [10℄.
2.1 Distribuição aleatória om orrelação de longo
alane
Generalizandoooneito defunção aleatória
x
(
t
)
,Mandelbrot [39;40℄introduziuooneitodemovimentoBrownianofraionário(MBF)quetemsidoutilizadopara
gerar sequênias aleatóriasorrelaionadas. Considerandoque
B
H
(
t
)
representaaposição da partíula que desreve um movimento Browniano fraionário em um
instante
t
eonsiderandoqueB
H
(
t
= 0) = 0
,temosque afunçãoC
(
t
)
quemedeaorrelaçãoentreosinrementos
(
B
H
(0)
−
B
H
(
−
t
))
e(
B
H
(
t
)
−
B
H
(0))
,érelaionadaom o expoente de Hust, omoa seguir:
C
(
t
) = [
<
−
B
H
(
−
t
)
B
H
(
t
)
>
B
H
(
t
)
2
] = (2
2
H
−
1
−
1)
.
(2.1)
Observe que
C
(
t
) = 0
para todoinstantede tempo quandoH
= 1
/
2
, ouseja,para o aso de um movimento Browniano simples. Para
H
6
= 1
/
2
, osinremen-tos entre os eventos possui orrelação diferente de zero para qualquer instantede
tempo. Quando temos que
H >
1
/
2
o movimento é persistente, ou seja, se aaminhada sofreu resimentono passadoentão os inrementosnofuturo tendem
antipersis-tente indiando que inrementos negativos no passado impliam em inrementos
positivos nofuturo e vie-versa.
Para gerar uma série temporal aleatória om espetro bem denido, vários
autores [4145℄ tem usado a transformadade Fourier disreta, obtendo a relação:
x
i
=
N/
2
X
k
=1
(
S
(
ω
k
)∆
ω
)
1
/
2
cos(
ω
k
t
n
+
φ
k
)
.
(2.2)É importante salientar que o ruído na série
x
i
é originado ao onsiderar queas
N/
2
fasesφ
k
assumem valores uniformemente distribuidos de forma aleatóriano intervalo
[0
,
2
π
]
. As frequêniasω
k
, são múltiplas da frequênia fundamental∆
ω
= 2
π/T
, ou seja,ω
k
=
k
∆
ω
. Considerando que a partíula seja observadano tempo
t
i
=
iτ
, e que tenhaN
valores em um períodoT
, assimT
=
Nτ
.Assumindoque
S
(
ω
k
) = 1
/ω
α
k
eesolhendo por onveniêniaτ
= 1
, obtemos:x
i
=
N/
2
X
k
=1
"
k
−
α
2
π
N
1
−
α
#
cos
2
πik
N
+
φ
k
.
(2.3)Oparâmetro
α
ontrola ograude orrelaçãodadistribuiçãoeestárelaionadoomoexpoentedeHustdaforma
α
= 2
H
+ 1
. Quando temosα
= 0
,asequêniaéaleatória,om ruídobrano,ouseja,sem orrelaçõesentre oseventos. Para oaso
espeial em que
α
= 2
reuperamos a sequênia típia de movimento Brownianosimples. Para simular sistemas elástios que possuem distribuição de elastiidade
om orrelações de longo alane, vamos utilizar a sequênia
x
i
através do usode uma transformada hiperbólia que não altera o omportamento típio de lei
intervalo
−
1
≤
x
i
≤
1
,x
i
= tanh
N/
2
X
k
=1
1
k
α/
2
cos
2
πik
N
+
φ
k
.
(2.4)As
N/
2
fasesφ
k
sãogeradasdeformauniformeemumintervalo[0
,
2
π
]
,φ
k
éoúniotermo estoástio da série. É importante lembrar que o parâmetro
α
é o termoqueontrolaograudeorrelaçãodasequênia. Paraobtermos umasequêniaom
variânia independente do tamanho do sistema, as onstantes elástias
η
i
foramesolhidas de maneira a manter
∆
η
i
=
constante
e evitar valores negativos nadistribuição, para os primeiros estudos, onsideramos
∆
η
i
= 1
. Para satisfazer aessas ondições, esolhemos
η
i
da forma:η
i
= 2 +
x
i
∆
x
.
(2.5)Na gura 2.1 é mostrado
η
i
×
i
para diferentes graus de desordem (α
=
0
.
0
,
1
.
0
,
2
.
0
e3
.
0
) para adeias de tamanhoN
= 2
14
. Após ter denido
η
i
va-mos estudarnumeriamente a propagação de modos aústios através dasolução
numéria da equação de onda 1.5. Vamos apliar além do método de matriz de
transferênia,apliadonoapítuloanterior,um formalismode diferençanitaque
permite asolução numéria diretada equação para uma ondição iniial geral. O
1
2
3
4
η
i
α=0.0
1
2
3
4
α=1.0
1
2
3
4
α=2.0
0
5000
10000
15000
i
1
2
3
4
α=3.0
Figura 2.1: Sequênias geradas pela equação 2.5 om
N
= 2
14
e parâmetros de
orrelação
α
= 0
,
1
,
2
e3
.
0
.2.2 Diferença Finita
Uma disretização da função
ψ
(
x,t
)
é obtida onsiderando apenas os valoresψ
n
i
emum nitonúmerode pontos
(
x
i
,t
n
)
emquex
=
i
∆
x
et
=
n
∆
t
, sendo∆
x
e∆
t
oespaçamentodarede noespaçodaposição enotempo,respetivamente. Para a
desrição matemátia de
ψ
notempoeno espaço,usamos adenotação de sendoi
referente ao espaçoe
n
ao tempo.Considerando uma expansão em série de Taylor e desprezando termos de alta
Figura2.2: Disretização do espaçoe tempo.
∂
2
∂t
2
ψ
(
x,t
)
≈
ψ
i
n
+1
−
2
ψ
n
i
+
ψ
i
n
−
1
∆
t
2
,
(2.6)e para aderivada espaial,
∂
∂x
[
η
(
x
)
∂ψ
(
x,t
)
∂x
]
≈
1
∆
x
2
[
η
i
(
ψ
n
i
+1
−
ψ
i
n
)
−
η
i
−
1
(
ψ
n
i
−
ψ
i
n
−
1
)]
.
(2.7)Em nossas simulações o espaçamento entre os sítios vizinhos é
∆
x
= 1
. Paragarantir estabilidade usamos
∆
t
≤
∆
x/
100
.A gura 2.3exibea representação doespaço edo tempo emnita diferença.
2.3 Resultados
Nesta seção vamos apresentar nossos prinipaisresultados a respeito do
0
500
1000
1500
i
-1
0
1
ψ(
x)
Figura 2.3: Amplitude de uma onda inidente senoidal ao longo de um meio
ho-mogêneo (
η
i
= 2
para qualquer valordei
) emt
= 10
5
∆
t
.
de longo alane, alulamosoomprimentode loalizaçãopara diversos grausde
orrelaçãoutilizandoométododaMatrizTransferêniajáapresentado. Utilizamos
10
5
desordens onguraionaisparaobteroomprimentodeloalizaçãoemfunção
dafrequênia, denotado por
λ
(
ω
)
.Em geral, no ontexto de loalização de ondas, o álulo do omprimento de
loalização tem permitido mapear regiões espetrais em que o meio se omporta
de formametáliaouisolante. Por isso, é onvenienteanalisarmos
λ
(
ω
)
/N
.Vejamos a gura 2.4, temos
λ/N
versusω
paraN
= 2
14
e
N
= 2
17
om
3 diferentes graus de orrelação:
α
= 0
.
0
,
1
.
0
e3
.
0
. Podemos notar que, emω
= 0
, independentemente do tamanhodo sistema e dograu de orrelação, nessa0
1
2
3
4
ω
10
-6
10
-4
10
-2
10
0
10
2
λ/Ν
α=0.00 Ν=2
14
α=0.00 Ν=2
17
α=1.00 Ν=2
14
α=1.00 Ν=2
17
α=3.00 Ν=2
14
α=3.00 Ν=2
17
Figura2.4: Comprimentode loalizaçãoesalado
λ/N
versusω
paraα
= 0
,1
e3
. Osálulos foramfeitos paraN
= 2
14
e
N
= 2
17
.
em
ω
6
= 0
não notamos uma dependênia deλ
omN
, portanto, paraω
6
= 0
esses graus de orrelação não favoreem a existênia de estadosdesloalizados no
sistema. Jápara
α
= 3
.
0
,nafaixadeω < ω
c
∝
1
.
6
,λ
∝
N
,indiandoaexistêniade modos propagantes.
Com o objetivo de investigar emtorno de qual valor do parâmetro
α
, surgemregiões de estados aústios desloalizados, alulamos o valor médio do
ompri-mentodeloalizaçãonormalizadoomfrequêniaentradaem
ω
= 1
. Basiamente0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
α
10
-3
10
0
10
3
<
λ
>/N
N=2
14
N=2
17
N=2
19
Figura 2.5: Comprimentode loalizaçãoesalado médio
< λ > /N
versusω
paraα
= 0
,1
e3
.maneira,denimos
< λ > /N
omo a seguir:< λ > /N
=
1
NN
f
1
.
5
X
0
.
5
λ
(
ω
)
,
(2.8)emque
N
f
éonúmerodeestadosomfrequêniaω
dentrodointervalode[0
.
5
,
1
.
5]
.Usamos
N
f
= 500
e assim enontramos< λ > /N
para diversos parâmetros dedesordem
α
om valores entre0
e3
e disretização de tamanho∆
α
= 0
.
25
. Nagura 2.5 temos
< λ > /N
versusα
para dois tamanhos de rede:N
= 2
14
e
N
= 2
17
0
1e+06
2e+06
3e+06
4e+06
N
10
-2
10
0
10
2
<
λ
>/N
α=3
α=2.5
α=1.5
α=0.5
Figura2.6: Lei de esala de
< λ > /N
paraα
= 0
.
5
,1
.
5
,2
.
5
e3
.uma superposição das urvas, ou seja,
λ
∝
N
. Essa investigação sugere que,para
N
→ ∞
o omprimento de loalização normalizadoλ/N
→
0
, indiando aexistêniade estadosdesloalizadospara
α > α
c
, emqueα
c
éo parâmetrorítiode desordem.
A gura 2.6, exibe o resultado de
< λ > /N
versusN
paraN
= 2
14
até
N
= 2
22
paradiversosvaloresdoparâmetro
α
. Dentrodenossapreisãonuméria,enontramos
< λ >
∝
N
0
,
98(2)
para forte orrelação. Esse resultado india que, no
-2
-1
0
1
2
0
2500
5000
7500
10000
i
-1
0
1
ψ
i
α=0
α=3
a)
b)
Figura 2.7: Amplitude da onda durante a propagação através do meio
orrela-ionado para o tempo
t
= 500000∆
t
. A onda inidente é uma função seno om frequêniaω
= 1
. Em (a) onsideramos o aso não orrelaionadoα
= 0
e (b) para o regimede forteorrelaçãoα
= 3
.
0
.de estadosestendidos. Assim, resolvemos estudaratravésdo métodode diferença
nita a dinâmiada propagação. Resolvemos numeriamente a equação da onda
aústia, onsiderando
∆
x
= 1
e∆
t
≤
∆
x/
100
, por questões de estabilidadenuméria. Consideramos a inidênia de uma onda senoidal
ψ
(0
,t
) =
sin
(
ω
0
t
)
,om frequênia
ω
0
= 1
ao longo de uma rede de tamanhoN
= 2
15
, para dois
parâmetros de desordem:
α
= 1
.
0
eα
= 3
.
0
. A gura 2.7 exibe o resultado deψ
no instante de tempot
= 5000000∆
t
propagando em uma rede omα
= 1
.
00
-6
-3
0
3
6
ψ
i
0
1000
2000
3000
4000
i
-0.5
0
0.5
α=0
α=3
t
1
t
2
t
3
t
4
a)
b)
Figura 2.8: Amplitude da onda para os tempos
t
1
= 50000
,t
2
= 100000
,t
3
=
200000
et
4
= 300000
, onsiderando a inidênia de um pulso denido porΨ
0
=
exp[
−
(
t
−
t
0
)
2
/
2
σ
2
t
] cos(
ω
0
t
)
omσ
t
= 20
e frequêniaω
= 1
.
0
.que, para o regime de forte orrelação o meio se torna ondutor, permitindo a
propagação daonda aústiaao longo daadeia,já para
α
= 1
.
0
regimede baixaorrelação, todaonda é reetida no iníioda rede.
Variamos também o tipo de onda inidente, onsideramosa inidênia de um
pulso
ψ
(0
,t
) = exp[
−
(
t
−
t
0
)
2
/
2
σ
2
t
] cos(
ω
0
t
)
omσ
t
= 1
/σ
ω
= 20
eω
= 1
.
0
. Agura2.8representaapropagaçãoparainstantesdetempo
t
1
= 50000∆
t
,t
2
= 100000∆
t
,t
3
= 200000∆
t
et
4
= 300000∆
t
apartea)para ummeioemqueα
= 0
.
0
eb)para0
1
2
3
ω
0
10
20
30
40
A(
ω)
α=3
α=0
e)
Figura 2.9: Intensidade espetral
A
(
ω
)
deψ
na posiçãoL
= 20000
alulados usando 20realizaçõesde desordem.há propagação, omo já esperávamos, e para
α
= 3
.
0
a onda aústia propaga-seno meio fortemente orrelaionado, orroborando o resultado da onda inidente
senoidal.
Busandoatravésdadinâmiadosistema,enontrarafrequêniarítia
ω
c
quesepara os modos propagantes dos loalizados, alulamos a intensidade espetral
A
(
ω
)
dainidêniadeváriospulsosdeondaemumaposiçãoxanarede. AfunçãoA
(
ω
) = (1
/
2)
|
ψ
L
(
ω
)
|
2
emqueψ
(
ω
)
éobtidatomandoatransformadadeFourierdeψ
(
x,t
)
a uma distâniaL
= 20000
emredes de tamanhoN
= 2
15
. Consideramos
20
onguraçõesomputaionais das redes,para obterA
(
ω
)
.0
1
2
3
α
10
-4
10
-2
10
0
10
2
<
λ
>/N
N=2
17
N=2
19
N=2
21
10
-4
10
-2
10
0
10
2
N=2
17
N=2
19
N=2
21
∆η
=0.75
∆η
=0.5
a)
b)
Figura2.10: a)b) Comprimento de loalizaçãoesalado médio emuma janelade
frequênia
[0
.
5
,
1
.
5]
versusα
para∆
η
= 0
.
5
e∆
η
= 0
.
75
.
desordem dos sistema,
α
= 0
.
0
eα
= 3
.
0
. Inidimosvários pulsosom frequêniasdentrodointervalo
[0
,
3]
ealulamosaintensidadeespetralnaposiçãoL
= 20000
.Podemos notar que todos os modos om frequênia
ω > ω
c
deaem e o meio seomporta omo um ltro, transmitindo apenas frequênias a baixo de
ω
≈
1
.
6
.Essesresultadosestãoemtotalonordâniaomosobtidosanteriormente,através
dométododo álulodo omprimentode loalização.
Para nalizar nossos estudos, onsideramos o efeito da largura de desordem
sobre o parâmetro rítio
α
c
. Na gura 2.10 temos< λ > /N
paraN
= 2
17
,
N
= 2
19
e
N
= 2
21
Enontramos novamente que
α
c
= 2
, mostrando que a largura da desordem nãoinuenia novalordoparâmetro
α
c
, ou seja,α
c
não depende de∆
η
.Emsuma,vimosqueoefeitodeorrelaçãonadistribuiçãodasonstantes
elásti-asdomeio,inueniamnoomportamentodapropagaçãoaústia. Considerando
sistemasquepossuemdensidadeespetraltipoleidepotênia
S
(
k
)
∝
1
/k
α
,nossos
resultadosnumériosindiamque,paraforteorrelação,ouseja,
α >
2
existemes-tadospropagantes epara
α <
2
todos osestadossão loalizados. Nossametodolo-gia mostrou a existênia de uma frequênia rítia separando estados loalizados
e desloalizados bemomo mostrouque o valorrítio
α
c
= 2
independe daforçada desordem
∆
η
i
. Os prinipais resultados desse apítulo foram publiados noLOCALIZAÇO DE ONDAS
ACÚSTICAS EM POTENCIAIS
COM MODULAÇO
APERIÓDICA
Sequênias aperiódias (quasi-periódias), desde a déada de 80, têm
desper-tado grande interesse na omunidade ientía por apresentarem araterístias
intermediárias entre sistemas periódios e desordenados. Em sequênias
quasi-periódios,nãohásimetriatranslaional,essaaraterístiaastornamsemelhantes
asequêniasdesordenadas. Noentanto,esses sistemassãogeradosseguindoregras
determinístiasoqueontrariaoasodesordenado. AssequêniasThue-Morse,
Fi-bonaiepoteniaisom modulaçãoaperiódia,são sequênias queseguemregras
determinístias.
quepoteniaisinomensuráveispodemforneeraexistêniade estadosloalizados
e estendidos separados por um mobility-edge para sistemas unidimensionais. No
ano seguinte, J. B. Sokolo [48℄, fundamentado nos trabalhos de Azbel [47℄ e
Aubry, estudou a loalização eletrnia em uma rede quasi-periódia om o uso
domodelode tight-binding. Assim, aequação deSrodingerom potenialon-site
V
n
=
V
0
(
cos
(
qn
))
em queq
é esolhido omo sendo um múltiplodeπ
, tornando opotenial inomensurável. Um trabalho posterior de Soukoulis e Eonomou [49℄,
om o estudo do oeiente de transmissão e a dependênia espaial dos
auto-estados, mostrou que até mesmo sistemas unidimensionais poderiam apresentar
transição de Andersontendo potenial inomensurável.
Em 1988, M. Griniasty e S. Fishman [68; 50℄ utilizaram o modelo de
tight-binding om potenial pseudo-aleatório, para investigara natureza da loalização
eletrniaemumadimensão. Nomodelode tight-binding,osautoresonsideraram
opotenialon-site
V
n
=
λ
cos(
πα
|
n
|
ν
)
om
α
sendoumnúmeroirraional,ouseja,um potenial inomensurável, uja fase da modulação segue uma lei de potênia
em
n
. Através de álulos numérios e por método perturbativo paraλ
≪
1
enontraram o omprimentode loalizaçãopara diferentes valores de
ν
.Osresultadosobtidosnessasinvestigaçõessão quepara
ν
≫
2
todos osestadossão loalizadoseom
0
< ν
≤
1
existemestadosestendidos. Nesse apítulovamosestudarosefeitosdedistribuiçõesdeelastiidadeaperiódiassobreaspropriedades
aústias de sistemasunidimensionais. Para gerarsequênias de onstantes
elásti-asaperiódiasvamosseguirasreferênias [68;50℄edenir
η
i
usandoumafunçãosenoidal uja fase varia om uma lei de potênia. Após apresentar o modelo em
3.1 Modelo
Vimosque,poteniaisaperiódiospodemloalizaroudesloalizarasfunções
eletrni-as aolongo de adeiasunidimensionais. Efeitossemelhantes têm sidoobservados
em sistemas ótios e adeias vibraionais [51℄. Motivados por essas observações,
vamos investigar osefeitos desse potenialsobre os estadosaústios.
Paraintroduzirumasequêniaaperiódia,assumimosqueasontanteselástias
são geradas daformaa seguir:
η
i
=
η
0
+ cos(
βπi
ν
)
.
(3.1)Essa regra determina um potenial,uja fasedo termo ossenoidal segue uma
leide potênia,ouseja,
φ
∝
i
ν
, emque
i
representa aposição aolongo daadeia.O termo
ν
ontrola o grau de aperiodiidade do sistema. Em nossos estudos,va-mos onsiderar que
η
0
= 2
, evitando valores negativos e nulos na distribuição dasonstantes elástia do meio. Vamos denotar por
α
, a relaçãoα
=
βπ
eonsider-aremos que
α
= 0
.
1
tornando, por m,β
um número irraional. Um gráo deη
i
versusi
é mostrado na gura 3.1. Paraβ
raionaleν
= 1
, tem-se na equação3.1um potenialristalino. Podemos também observar que,para
ν
= 0
, todas asonstantes elástiasdomeio, assumem o mesmo valor.
Nosso interesse é veriar a existênia de transição de Anderson em uma
di-mensãoparaondasaústias propagando-seemumpotenialgeradopelaequação
2
η
i
ν=0.0
2
ν=0.5
2
ν=1.0
0
2000
4000
i
2
ν=1.5
Figura 3.1: Potenial aperiódio gerado pela equação 3.1 para uma rede de tamanho
N
= 2
14
om
α
= 0
.
1
eV
0
= 2
paraν
= 0
.
0
,ν
= 0
.
5
,ν
= 1
.
0
eν
= 1
.
5
.doálulo doomprimentode loalizaçãoe dadinâmianosistema.
3.2 Resultados
Vimos a utilidade do álulo do omprimento de loalização em apítulos
pas-sados. Com a obtenção do omprimento de loalização investigamos a natureza