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Title in Portuguese: Estudo de sistemas bidimensionais de partículas clássicas
Author: Munarin, Felipe de Freitas
Advisor(s): Ferreira, Wandemberg Paiva
Keywords: Física moderna
Mecânica
Colóides
Dinâmica molecular
Partículas magnéticas
Sistemas de partículas clássicas
Issue Date: 2008
Citation: MUNARIN, F. F. Estudo de sistemas bidimensionais de partículas clássicas. 2008. 152 f. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2008.
Abstract in Portuguese: Esta tese dedica-se ao estudo das propriedades estruturais, dinâmicas e térmicas de sistemas bidimensionais (2D) de partículas clássicas. Na primeira parte da tese, estudam-se as estruturas e as propriedades vibracionais de partículas em sistemas confinados em temperatura zero. Inicialmente, investigam-se as configurações de uma monocamada de dipolos magnéticos confinados por um potencial parabólico em função do momento de dipolo das partículas. Apesar do confinamento circular, encontram-se diversas estruturas assimétricas, como configurações em forma de cadeias (linhas de partículas) e em forma de Y quando um campo magnético é aplicado paralelamente ao plano das partículas. Além disso, analisa-se a dinâmica das partículas por meio do estudo do espectro de seus modos normais, em função do campo magnético e da intensidade do momento de dipolo das partículas. As componentes de translação e rotação dos modos normais são obtidas e estudadas em detalhes. Esse sistema também foi estudado em função do número de partículas onde foram encontradas diferentes estruturas para diferentes valores do momento de dipolo das partículas e do campo magnético aplicado. Apresenta-se ainda nesta tese um estudo da estrutura e do espectro dos modos normais de um sistema composto por dois planos bidimensionais, acoplados verticalmente, formado por partículas clássicas carregadas, confinadas por uma distribuição não uniforme de carga. As propriedades estruturais e dinâmicas desse sistema são analisadas em função da separação entre os planos de cargas, bem como em função da intensidade do potencial de confinamento. Observam-se diferentes configurações assimétricas, além de transições estruturais induzidas pela desvinculação (evaporação) de partículas. Dependendo da transição estrutural, observou-se que as freqüências dos modos normais exibem uma descontinuidade ou uma contínua diminuição do seus valores. Na segunda parte da tese, estuda-se a influência da temperatura nas estruturas de sistemas 2D. Especificamente, investiga-se detalhadamente a transição sólido-líquido de um sistema bidimensional finito, constituído por dois tipos de partículas com diferentes cargas e/ou massas, confinadas em um potencial parabólico. A temperatura de fusão é obtida para diferentes valores da relação entre as cargas e/ou massas dos dois tipos de partículas. Observou-se que a fusão dos dois tipos de partículas ocorre em diferentes temperaturas. A importância das configurações comensuráveis e incomensuráveis, e dos diferentes modos normais de vibração na temperatura de fusão do sistema, também é estudada. Quando a configuração de mínima energia do sistema é composta por um arranjo assimétrico de partículas, observam-se transições estruturais termicamente induzidas. Além disso, encontra-se que o aumento de temperatura induz uma separação dos dois tipos de partículas no sistema. Estudou-se também a transição sólido-líquido de um sistema bidimensional de partículas clássicas interagindo através de um potencial competitivo e confinadas por um potencial parabólico. As partículas interagem através de um potencial atrativo de curto alcance e de um potencial repulsivo de longo alcance. Comportamentos diferentes da temperatura de fusão são encontrados em função da intensidade do potencial atrativo entre as partículas. Observou-se também que a transição sólido-líquido de um sistema constituído por pequenos aglomerados ocorre através de um processo de fusão em duas etapas. Comportamento reentrante e transições termicamente induzidas são observados em uma pequena região de um digrama dos principais parâmetros do sistema. Além disso, observa-se o efeito de histerese na configuração do sistema em função da temperatura, concluindo-se que este efeito é conseqüência da presença de uma barreira de potencial entre as diferentes configurações do sistema.
Abstract: This thesis is dedicated to the study of the structural, dynamical and thermal properties of finite two-dimensional systems of classical particles. In its first part, we study the structures and the vibrational properties of particles of confined systems in the zero temperature case. Specifically, the ordered configurations of a monolayer of interacting magnetic dipoles confined in a circular parabolic potential are investigated as a function of the dipole moment of the particles. Despite the circular confinement, we find very asymmetric ordered structures, like chains and Y-shaped configurations, when a magnetic field is applied parallel to the plane of the particles. Besides, we analyze the dynamic of particles through the study of the normal-mode spectrum. It is studied as a function of the magnetic field and the strength of the dipole moment of the particles. The translational and rotational components of the normal mode spectrum are obtained and investigated in details. As a function of the number of particles, we found different ordered configurations for different values of the dipole moment and the external magnetic field. We also study numerically the structure and the normal mode spectrum of a two vertically coupled finite-size two-dimensional system, composed of interacting classical charged particles confined by a nonuniform distribution of background charge. The structural and dynamical properties of the system are analyzed as a function of the separation between the planes of charges, and as a function of the strength of the confinement potential. We find different asymmetrical ground-state configurations, as well as structural phase transitions induced by the unbinding of particles, which were not present in previous models with a parabolic confinement potential. Depending on the order of the structural transition the normal-mode frequencies exhibit a discontinuity or a softening. In the second part of the thesis, we study the structural dependence of the twodimensional systems on the temperature. Specifically, we systematically investigate the melting of a finite size binary system consisting of two types of particles having different charges and/or masses, confined in a two-dimensional parabolic trap. The melting temperature is obtained for different values of the ratio between the charges and/or masses of the two types of particles. It is found that two types of particles melt at different temperatures; e.g., particles with smaller charge melt first. The importance of the commensurate/incommensurate configurations, and the different normal modes to the melting phenomenon, is also studied. When the ground state consists of a nonsymmetric arrangement of particles, new thermally induced structural phase transitions are found. In addition, a remarkable temperature induced spatial separation of the two types of particles is observed. We also study the melting of a competing interacting potential system of classical particles confined in a circular parabolic trap. The particles interact through a short-range attractive, and long-range repulsive, potential. Different behaviors of the melting temperature are found depending on the strength of the attractive part of the interparticle potential. The melting of a system consisting of small bubbles takes place through a two-step melting process. A reentrant behavior and a thermally induced structural phase transition are observed in a small region of a space diagram of the main parameters of the system. A hysteresis effect in the configuration of the particles is observed as a function of temperature. This is a consequence from the presence of a potential barrier between different configurations of the system.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/8066
metadata.dc.type: Tese
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