Ordem orientacional em sistemas com interações competitivas


Muitos sistemas apresentam o fenômeno da frustração, devido a presença de interações competitivas, por exemplo, materiais magnéticos onde a interação de troca, ferromagnética, compete com a interação dipolar, antiferromagnética, ou alguns fluidos complexos onde uma interação atrativa de curto alcance compete com uma repulsão de longo alcance. Desta forma, o sistema não consegue satisfazer simultanemante todos os vínculos impostos pelas interações microscópicas, é um sistema tipicamente frustrado. Exemplos deste tipo de sistemas são alguns filmes magnéticos ultrafinos, sistemas coloidais carregados, polímeros de dibloco, líquidos eletrônicos em duas dimensões, e muitos mais.

A fenomenologia destes sistemas é extremamente rica. Devido a impossibilidade de desenvolver ordem de longo alcance devido à frustração, a solução que o sistema encontra muitas vezes é formar fases em escalas mesoscópicas, em geral com ordem orientacional mas não posicional. A ordem orientacional é uma característica marcante dos cristais líquidos, as substâncias com as quais se fabricam os monitores de tela plana. No entanto, este tipo de fases, como fases sméticas, nemáticas, hexáticas, são muito mais gerais na natureza, aparecendo em sistemas clássicos, quânticos, em reações químicas e processos biológicos.

Características marcantes destas fases orientacionais são a presença de defeitos topológicos, que governan uma série de transições de fases nos sistemas, e a formação de padrões complexos, como faixas, ondulações, vórtices, bolhas, etc. Estes padrões são também comuns na natureza e entender sua origem e os processos básicos de formação dos mesmos, provavelmente comuns a sistemas tão díspares como um material magnético e uma reação quimica, é um desafio extremamente interessante.

Nós trabalhamos em alguns tópicos de interesse atual neste amplo campo de investigação. Usamos modelos continuos de teorias de campos clássicos para estudar as fases em sistemas bidimensionais com interações dipolares. As teorias de campos permitem obter resultados analíticos aproximados, tanto das propriedades de equilíbrio, como da dinâmica dos sistemas. Na parte da dinâmica, com o intuito de entender os processos de formação de padrões, estudamos a dinâmica de Langevin dos modelos continuos, tanto analítica quanto via simulações de Langevin.
Em outra linha de trabalho estamos interessados em desenvolver uma teoria de Landau-Ginzburg para a transição nemática em sistemas clássicos com interações competitivas.

Alguns dos trabalhos nossos na área:

  1. Langevin simulations of a model for ultrathin magnetic films
            L. Nicolao and D. A. Stariolo
           Phys. Rev. B 76, 054453 (2007)
  2. Competing Interactions, the Renormalization Group and the Isotropic-Nematic Phase Transition
            D. G. Barci and D. A. Stariolo
           Phys. Rev. Lett. 98, 200604 (2007)
  3. Langevin dynamics of fluctuation induced first order phase transitions: self consistent Hartree Approximation
            R. Mulet and D. A. Stariolo
           Phys. Rev. B 75, 064108 (2007)

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