O estudo dos raios cósmicos de ultra-alta energia (RCUAEs) situa-se no ramo de pesquisa da física de astropartículas, que está entre a física de partículas elementares e a astrofísica. Esta área teve um enorme crescimento nas últimas décadas devido, em parte, aos avanços nas técnicas experimentais e à construção de novos experimentos com grande área de exposição — o que permitiu a exploração de regiões de energia onde fluxo é baixíssimo, levando a descobertas de novas estruturas no espectro energético de partículas e de raios gama de utra-alta energia. Tais avanços levam à solução de importantes problemas da física de raios cósmicos, entretanto, diversas questões permanecem em aberto, como a identificação inequívoca das fontes astrofísicas, da composição e dos processos de produção e aceleração dos RCUAEs.
Existem indícios de anisotropia nas ultra-altas energias que apontam para a possibilidade de indentificação das fontes, contudo, faz-se necessário um estudo detalhado da propagação das partículas nos campos magnéticos galácticos e extragalácticos, uma vez que sabe-se que partículas carregadas devem desviar-se, sob ação da força de Lorentz, em seu trajeto até a Terra.
Este trabalho utiliza como ponto de partida o software EGCRProp. Este programa possui uma estrutura avançada e completa de simulações de Raios Cósmicos de Ultra-Alta Energia, e nosso objetivo principal é incluir uma gama de processos de interações das partículas altamente energéticas com a Radiação Cósmica de Fundo. Tais processos são responsáveis por estabelecerem desvios na trajetória destas partículas e, em especial, um deles é a razão para o efeito conhecido como limite Greisen-Zatsepin-Kuzmin (corte GZK).
Esta tese se divide em três etapas. A primeira é o desenvolvimento teórico e o levantamento bibliográfico completo dos fenômenos de produção de pares, fotoprodução de píons e fotodesintegração nuclear. A segunda etapa é a elaboração destes modelos computacionalmente e sua consequente implementação no software original. A terceira etapa é a de simular efetivamente diversos cenários no programa desenvolvido, e então comparar com o software CRPropa, referência em simulações na área de Raios Cósmicos

This work delves into the study of flavor invariants and, in special, invariants capable of detecting CP (Charge-Parity) violation. Through the mathematical tool of the Hilbert series, we systematically enumerate and explore flavor invariants that are unchanged under weak basis transformations. After reviewing the Hilbert series and the flavor invariants of the SM quark sector, we apply the tool of Hilbert series to the SM extended by a singlet vector-like quark (VLQ) of down-type. The introduction of these hypothetical particles leads to a simple extension of the SM that can be motivated by many problems, including the need for new sources of CP violation to explain the observed matter-antimatter asymmetry in the universe. We were successful in calculating the Hilbert series for the VLQ extension in the mass basis of the VLQ, where the spurion transformations are simpler. Based on the Hilbert series, we build and enumerate the basic flavor invariants with which all invariants can be constructed. For a generic basis, where the spurion transformations involve a larger group, we could only get the first few terms of the Hilbert series.

Férmions pesados tem sido um tema extensivamente estudado nas últimas décadas como uma importante área da física de sistemas de elétrons fortemente correlacionados. Neste estudo, nós apresentaremos o desenvolvimento da pesquisa do YbV6Sn6, um composto com férmions pesados recentemente descoberto e buscamos identificar indicativos de criticalidade quântica através da aplicação de campo magnético externo e pressão hidrostática. Os monocristais crescidos através da técnica de auto-fluxo combinado com uma pré-síntese em um forno a arco apresentaram, mesmo quando limpos em solução de HCl, a fase secundária V3Sn, material supercondutor da família A15. Quando crescidos sem o auxílio da pré-síntese não houve a identificação desta fase após a limpeza em solução ácida. Foram usadas técnicas de difração de raios-X e refinamento de Rietveld para identificar e checar a qualidade da fase crescida. A caracterização magnética foi feita através de curvas de M vs T e M vs H medidas em uma magnetômetro SQUID. As curvas de M vs H indicaram assinaturas de um campo elétrico cristalino presente nas amostras. As curvas de M vs T com H paralelo ao plano ab apresentaram uma temperatura de Currie-Weiss indicando a predominância de interações FM, com um momento efetivo correspondente ao do Yb3+, por outro lado as medidas com H paralelo ao eixo c evidenciaram uma predominância de interações AFM com momento efetivo menor, acompanhado de um máximo local em 28 K e um mínimo local em 15 K decorrente do efeito de campo elétrico cristalino. As medidas de transporte elétrico e calor específico foram feitas em um PPMS-II Evercool. A medida de calor específico confirmaram o estado de férmion pesado do material e indicaram a presença de uma anomalia de Schottky associada ao campo elétrico cristalino presente no material. Os resultados de resistividade, variando o campo magnético, em baixas temperaturas indicaram um estado de não líquido de Fermi (NFL) ao longo de toda a região analisada e uma tendencia à criticalidade quântica entre 0 e 10 kOe. Quando variada a pressão hidrostática o sistema, em baixas temperaturas, indicou a saída da região de NFL com a recuperação de um comportamento de Líquido de Fermi (FL) próximo a 1 GPa, aumentando mais a pressão vê-se o retorno ao comportamento NFL indicando a presença de um novo ponto crítico quântico que deve ser alçado em torno de 3.8 GPa. Nós agradecemos o apoio do GPOMS-UNICAMP, CBPF, CEM-UFABC, CAPES e FAPESP.

O presente projeto de pesquisa visa a realização de cálculos envolvendo a colisão de elétrons de baixa energia pelas moléculas de furano e de tetrahidrofurano. As investigações serão conduzidas com o intuito de avaliar a influência da inclusão dos efeitos de acoplamento multicanal sobre a magnitude das seções de choque que caracterizam os processos de espalhamento elástico e de excitação eletrônica. Para tanto, será empregada uma abordagem já bem estabelecida para a escolha dos estados que irão compor o espaço de canais acoplados, sendo ela baseada na utilização da estratégia MOB-SCI (minimal orbital basis for single configuration interactions) desenvolvida em nosso grupo de pesquisa. Esta estratégia tem fornecido resultados bastante promissores quando aplicada no estudo do espalhamento de elétrons por outros alvos moleculares. Um dos desafios do presente projeto de pesquisa é o de, com base na comparação e na análise crítica dos resultados obtidos a partir da utililização da estratégia MOB-SCI, estabelecer critérios ainda mais objetivos para a composição do espaço de canais acoplados que permitam melhorar a concordância entre as seções de choque obtidas dentro da presente proposta de investigação e os resultados experimentais e teóricos disponíveis na literatura e que, concomitantemente, tragam mais luz sobre a questão da convergência do acoplamento multicanal em cálculos de espalhamento. A importância na obtenção de resultados confiáveis e acurados reside no fato de que as seções de choque para o espalhamento de elétrons por constituintes do DNA (e, também moléculas que se apresentam como protótipos mais simples das mesmas) são utilizadas como parâmetros de entrada em programas que simulam a radiólise em meio celular e, portanto, a precisão com a qual as mesmas são calculadas ou medidas impacta diretamente na precisão com a qual as doses de radiação a serem empregadas em procedimentos de radioterapia podem ser determinadas.

Um dos principais desafios da física de partículas é explicar como os neutrinos adquirem massa, já que isso não é previsto pelo Modelo Padrão. Nesta dissertação, revisa-se o fenômeno da oscilação de sabores, que indica que pelo menos dois neutrinos possuem massa. No entanto, esses experimentos de oscilação não fornecem a escala exata dessas massas, nem resolvem questões sobre a hierarquia das massas ou a violação de simetria CP na matriz de mistura. Na cosmologia teórica, outro problema importante é a origem da assimetria bariônica, que só pode ser explicada ao introduzirmos um processo de bariogênese no modelo LCDM. Por isso, explora-se a leptogênese, um cenário em que primeiramente a assimetria no setor dos léptons é gerada a partir do decaimento de novos neutrinos de mão direita, que são parceiros de massa dos neutrinos do Modelo Padrão e dão origem à massa pelo mecanismo seesaw tipo-I. A conversão para assimetria no setor dos bárions é realizada pelas transições de 'sphalerons' do Modelo Padrão. Por fim, analisa-se a leptogênese efetiva, que considera apenas os graus de liberdade relevantes, como uma única geração do neutrino de mão direita 'N', enquanto a violação de CP surge da interferência entre diagramas de nível de árvore e loop, via o operador de Weinberg de dimensão 5.

Desde os trabalhos de Rohrlich e Boulware, percebeu-se que o conceito de radiação não é covariante. Eles descobriram que cargas elétricas uniformemente aceleradas não emitem radiação com relação a observadores co-acelerados. Desde então, a conexão entre aceleração e radiação e sua relação com o princípio da equivalência continua intrigando a comunidade. Mais recentemente, esta questão foi investigada da perspectiva da mecânica quântica no âmbito da teoria quântica de campos em espaços- tempos curvos e foi encontrado o que parece ser uma conexão impressionante entre o bremsstrahlung e o efeito Unruh. Nesse contexto, os fótons de Rindler de energia nula desempenham um papel crucial, o que manteve alguns físicos inquietos e hesitantes em aceitar tal conexão. Neste projeto de doutorado, pretendemos estudar os aspectos clássicos e quânticos da radiação emitida por uma carga acelerada e o papel exato desempenhado pelos fótons de Rindler de energia nula já no contexto clássico. Com base nisso, daremos um passo adiante e analisaremos o problema análogo da radiação gravitacional emitida por uma massa uniformemente acelerada e sua relação com as partículas (de Rindler) de energia nula e o efeito Unruh. Terminamos o projeto estudando a possibilidade de uma definição mais geral de radiação (e sob quais condições tal conceito é válido).

Com o surgimento do problema do neutrino solar, percebeu-se que as interações do neutrino com a matéria na propagação de neutrinos pode ser extremamente relevante e, por isso, tem sido considerado em diferentes contextos, como neutrinos solares, atmosféricos, de supernova, entre outros. Esse efeito de matéria é, em geral, incluído através da média (sobre o estado do ambiante) do Hamiltoniano de interação entre os neutrinos e as partículas do ambiente e permite correções nas oscilações coerentes dos neutrinos. Além disso, muitas das vezes é considerado que a dinâmica do neutrino é adiabática, isto é, que a densidade de matéria varia lentamente quando comparado com o tempo característico de
oscilação dos neutrinos.

Entretanto, tanto a forma de se incluir a interação do neutrino com a matéria na dinâmica dos neutrinos bem como o pressuposto da adiabaticidade têm suas limitações. Conforme consideramos neutrinos com energia superiores a 1 GeV, tanto efeitos de não-adiabaticidade quanto efeitos de amortecimento da coerência das oscilações (decoerência) podem aparecer. Em outras palavras, precisamos considerar neutrinos como sistemas quânticos abertos. No contexto de não-adiabaticidade, já se entende que uma dinâmica não-adiabática de neutrinos pode influenciar na procura de WIMPs no sol. A respeito da decoerência, a abordagem de neutrinos como sistemas quânticos abertos pode ser uma nova forma de se procurar física além do modelo padrão.

Esse trabalho foi dividido em duas partes principais. Na primeira parte estudou-se a dinâmica não-adiabática de neutrinos que são criados no centro do sol e de neutrinos atmosféricos solares, caracterizando suas principais diferenças. Na segunda parte, deriva-se um formalismo de sistemas quânticos abertos adequado para física de neutrinos (aqui chamado de CAONS - Collisional Approach for Open Neutrino Systems ). Além disso, com este formalismo mostra-se a conexão entre os
parâmetros de decoerência com seções de choque e taxas de decaimento, algo inédito no entendimento de física de neutrinos. Por fim, utiliza-se de CAONS para obter restrições em acoplamentos de neutrino com matéria escura.

O presente trabalho dedica-se ao estudo do limite semiclássico da teoria de calibre não comutativa completa, denominada teoria de calibre de Poisson. Primeiro construímos uma álgebra $L_{\infty}^{full}$ que governa tanto a ação das simetrias de calibre quanto a dinâmica da teoria, satisfazendo as relações de homotopia correspondentes. Em seguida, aplicamos a não comutatividade canônica puramente espacial para investigar os efeitos da propagação de ondas planas sob um campo magnético externo, obtendo as propriedades do meio pelos tensores de permissividade elétrica e permeabilidade magnética em termos do parâmetro não comutativo. Por fim, pretendemos construir a teoria de calibre não associativa usando uma estrutura de Poisson cuja álgebra é isomorfa à algebra de Malcev dos octônions.

Instrumentação óptica e dispositivos optoeletrônicos se tornaram ferramentas indispensáveis em aplicações científicas e tecnológicas devido à sua alta precisão e velocidade de medição. Em especial, sistemas de instrumentação ópticos proporcionaram o desenvolvimento e otimização de técnicas ópticas holográficas, dentre elas, ferramentas para aprisionamento de partículas ou pinças ópticas holográficas; sistemas de metrologia óptica holográfica; microscopia holográfica digital; além de sistemas holográficos de projeção e microfabricação 3D; bem como, a geração de feixes especiais via hologramas gerados por computador. Por outro lado, a geração holográfica de feixes de luz estruturados com momento angular orbital, ou vórtices ópticos, estão apresentando perspectivas promissoras no aprimoramento e inovação em pinças ópticas, comunicação óptica, informação quântica, imageamento, metrologia e interferometria óptica. Neste sentido, propomos utilizar a técnica holográfica como uma nova abordagem investigativa sobre a comunicação óptica sem fio, ou no espaço livre, pois o feixe laser se propaga livremente na atmosfera. Este tipo de comunicação por laser desperta
enorme interesse industrial, além de possuir grandes vantagem em relação a transmissão de sinal por radiofrequência, mas enfrenta diversos desafios no meio de propagação. Esta investigação foi feita através de telas de perturbação, conhecidas como telas de fase, descritas pelo modelo estatístico de Kolmogorov, e foram aplicadas ao arranjo holográfico disponível em laboratório. Foi demonstrado como estes feixes se propagam ao longo do eixo z, os perfis de intensidade e mapa de fase, sem e com turbulência, e seus respectivos resultados
experimentais. Esses resultados fornecem uma nova perspectiva experimental para investigar a propagação do laser na atmosfera, bem como auxiliam no aprimoramento e correção de imagens aberradas por meio da óptica adaptativa.

Buracos negros acompanham a relatividade geral desde os princípios de sua formulação. Apesar da descrição teórica destes objetos ter avançado no último século, suas observações experimentais ainda são limitadas. A gravitação análoga propõe preencher este espaço fornecendo uma miríade de sistemas físicos que emulam diversos aspectos gravitacionais em laboratório. Em particular, estas analogias nos permitem a realização experimental de buracos negros acústicos que apresentem características de buracos negros astrofísicos. A primeira analogia gravitacional moderna foi proposta por Unruh nos anos 80 e se baseia na propagação de ondas sonoras em um fluido barotrópico ideal e irrotacional. Desde a proposição da analogia hidrodinâmica, diversos outros sistemas que podem ser interpretados como modelos análogos de gravitação foram identificados. Em configurações adequadas, analogias gravitacionais exibem propriedades de buracos negros de Kerr como superradiância e oscilações quasi-normais. Em condensados de Bose-Einstein as perturbações são descritas por campos quantizados, permitindo o arranjo de uma analogia
que emite radiação Hawking. Neste trabalho consideramos o efeito da vorticidade na analogia hidrodinâmica. Quando fazemos isto, a analogia entre o sistema hidrodinâmico e a gravitação é perdida. Esta hipótese se justifica pelo fato de que sistemas físicos reais não são irrotacionais. Nosso objetivo é explorar se os efeitos presentes nas analogias hidrodinâmicas,
em especial a superradiância, ainda se manifestam na presença de vorticidade.

De acordo com o modelo padrão de partículas elementares, os neutrinos são descritos
como partículas pouco interativas e sem massa. No entanto, experimentos demonstra-
ram que eles oscilam entre seus diferentes "sabores", o que requer que os neutrinos
tenham massa. A hipótese de neutrinos massivos necessita da introdução de uma ex-
tensão no modelo padrão, capaz de explicar com grande precisão uma série de
experimentos, incluindo o problema dos neutrinos solares e atmosféricos. Apesar disso,
alguns resultados experimentais apresentam anomalias que não podem ser bem explicadas
pela oscilação padrão, o que evidencia a necessidade de buscar novas extensões ou teorias.

Nesta dissertação, é proposto estudar o comportamento dos neutrinos no Modelo
Padrão Estendido (SME), uma teoria de campo efetiva que engloba o modelo padrão,
a relatividade geral e a quebra de simetria de Lorentz. O modelo puma é utilizado
para compreender a fenomenologia dos neutrinos e explicar dados experimentais com
parâmetros que violam CPT.

Para simular o feixe de neutrinos do experimento DUNE e obter informações sobre
probabilidades e número de eventos por energia do neutrino considerando teorias além
do modelo padrão, o software GLoBES (General Long Baseline Experiment Simulator)
foi modificado. A partir dessas informações, por meio de análise estatística, foram
obtidas curvas de sensibilidade para os parâmetros do modelo puma.

Com o objetivo de aprimorar o modelo puma, foi estudada uma perturbação capaz
de torná-lo sensível a regiões que antes ele não era capaz de descrever tão bem. De
maneira analítica são determinados vinculos para o sistema, a fim de tentar reproduzir
o comportamento do canal νμ → νe do DUNE.

 A métrica de Kerr, obtida em 1963, foi o primeiro caso de solução para um buraco negro em rotação, nesta mesma época Newman e Janis conseguiram obter esse mesmo resultado, além de uma nova solução, a métrica Kerr-Newman, através de um novo procedimento. Desde então, a buscas por novas soluções de buracos negros em rotação tornaram-se menos complicadas ao utilizar o algoritmo de Newman-Janis como principal ferramenta para obter resultados. Apesar do seu grande potencial, o algoritmo apresenta alguns problemas que tem sido contornados por diversas propostas de modificações. Esta dissertação tem o objetivo de aplicar os algoritmo e as diferentes modificações na busca de novas soluções, além de apresentar e discutir de forma  resumida as diferentes propostas de modificações para reuni-las em um único lugar. O desenvolvimento deste estudo foi direcionado para métricas de origem com simetrias hiperbólicas, devido a carência de resultados para este caso, como consequência deste trabalho, uma nova modificação foi encontrada na transformação de coordenadas para Eddington-Finkelstein para garantir o funcionamento do algoritmo, a qual está apresentada como resultado deste trabalho.

In this work we implement improvements in the BAM code for simulations of astrophysical systems in the context of Numerical Relativity. Such improvements consist in the introduction of the necessary computational infrastructure to the use of equations of state (EoSs) derived from microscopic theories to realistically describe the stellar matter in regimes of high densities and finite temperature. Furthermore, weak-force reactions governed by neutrinos are considered through the so-called Neutrinos Leakage Scheme (NLS) and the M1 formalism for the radiation transport equations.

With the new implementations, we performed test simulations with TOV stars employing the NLS and successfully reproduced neutrino-induced gravitational collapse.

We also carried out, for the first time in BAM, simulations of the late stages of the merger of a binary neutron star (BNS) using the new numerical tooling implemented in this work in order to validate our methods by comparison with reported results. Our results are published in Ref. [1].

Next, we performed simulations exploring the BNS parameter space with different mass-ratios and initial spins, obtaining good agreement with the results reported in the literature in terms of the final states of the systems and properties of the ejected matter.

Finally, we performed test simulations of BNSs with the more realistic M1 scheme, which dynamically evolves moments of the distribution function modeling the neutrinos. With this, we demonstrated the robustness of our methods, obtaining stable numerical evolutions, despite the substantial increase in the complexity of the simulations, and whose predicted properties in the post-merger stages are quite convincing. In the near future we will carry out higher resolution simulations with the M1 scheme in order to study generic BNS mergers in detail.

This thesis explores classical phenomena in multiple models of black hole binaries using numerical, analytical, and semi-analytical techniques. Our study provides insights into energy extraction, quasinormal modes, and wave scattering around black hole binaries, and demonstrates how the presence of a binary alters these phenomena compared to their single black hole counterparts. The study develops innovative techniques and numerical packages, including a technique for studying energy extraction in the context of general spacetime metrics, an Asymptotic Iteration Method-based code for computing quasinormal frequencies of black hole spacetimes, and a new EinsteinToolkit Thorn for the numerical evolution of a scalar field superimposed on a dynamically evolving metric. The results demonstrate enhanced efficiency of energy extraction in the presence of a secondary object, and the successful computation of new quasinormal frequencies for spin 5/2 perturbations of a Schwarzschild black hole. Preliminary findings of the scattering of a massless field over the GW150914 binary collision demonstrate valuable insights but are subject to further testing and development. Future research directions include incorporating the proposed approach for studying the Penrose process in dynamic spacetimes into fully dynamical simulations, further exploring the numerical simulation of the scalar field on top of the GW150914 binary, and considering the backreaction of the spacetime metric to enhance the realism of the simulations. The thesis’s contributions enhance confidence in the accuracy and potential of numerical methods for addressing novel problems in binary black hole spacetime models.

Estamos presenciando o surgimento e o desenvolvimento acelerado da era que convencionou-se chamar de NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum Technologies), na qual computadores quânticos, sistemas de comunicação quântica e sensores quânticos começam a ser comercializados e atraem grandes investimentos governamentais e corporativos. Por outro lado, a termodinâmica estabelece limites fundamentais aos regimes de operação e trocas energéticas em diferentes tecnologias, incluindo tecnologias quânticas emergentes. Neste último caso, dinâmicas de não equilíbrio, flutuações de energia e aleatoriedade estão presentes e desempenham um papel fundamental.

A área de pesquisa que tem se debruçado sobre estes temas tem sido chamada de Termodinâmica Quântica. Técnicas modernas de manipulação de sistemas quânticos nos permitem acessar experimentalmente estados microscópicos e sistemas individuais, explicitando o papel da teoria da informação em diferentes protocolos. Nesse contexto, por exemplo, é possível criar diferentes sabores de demônios de Maxwell no laboratório que de um ponto de vista moderno podem ser reconhecidos como mecanismos microscópicos de controle e feedback/feedfoward. Também é possível explorar coerência quântica e correlações não clássicas para realizar processos/protocolos termodinâmicos quânticos que seriam impossíveis no cenário clássico (relacionados à chamada vantagem quântica). A necessidade de avanços em nossa compreensão a respeito de Termodinâmica Quântica tem sido reconhecida como um passo importante para o aprimoramento de tecnologias quânticas emergentes e eventual entendimento de seus limites.

Em sistemas quânticos pequenos fora do equilíbrio, quantidades como trabalho, calor e produção entropia adquirem um caráter estocástico e estão associadas à distribuições de probabilidades regidas por teoremas ou relações de flutuação. Nesta tese, apresentamos algumas contribuições experimentais originais para a área de termodinâmica quântica empregando qubits de spins em ressonância magnética nuclear (RMN). A primeira contribuição, concentra-se na verificação de teoremas de flutuação detalhados em um cenário quântico que possui um processo de controle e feedback. Apesar de existirem estudos teóricos a respeito destas relações, no melhor de nosso conhecimento, nosso trabalho representa a primeira verificação experimental de tais relações no regime quântico. A segunda contribuição, concentra-se em testar experimentalmente a robustez de um conjunto de desigualdades, que estabelecem conexões entre as flutuações de quantidades termodinâmicas e produção de entropia durante um dado protocolo, conhecidas como relações de incerteza termodinâmicas (TURs). Nesse caso consideramos novamente um processo envolvendo controle e feedback. Por fim, apresentamos uma investigação experimental a respeito do teorema do calor de Nernst, relacionado à uma formulação da terceira lei e aos limites impostos pela termodinâmica para inicialização de um dispositivo quântico no seu estado fundamental. Argumentamos que consequências oriundas dos limites impostos pela terceira lei devem ter impacto substancial no desenvolvimento de novas tecnologias quânticos e precisam ser endereçadas em investigações futuras.

Esperamos que os resultados desenvolvidos nessa tese, contribuam para o avanço e a compreensão a respeito de flutuações de energia e limites impostos pela descrição termodinâmica de sistemas no regime quântico.

O foco deste trabalho foi estudar como alguns fatores físicos influenciam na eficiência da magneto-hipertermia. Para isso desenvolveu-se uma série de rotinas que executam um algoritmo baseado em Monte-Carlo cinético e que utiliza o modelo de Stoner-Wohlfarth como base. Esse algoritmo foi validado através de comparações entre resultados teóricos e experimentais e com comparações com outros algoritmos já validados na literatura. As rotinas criadas se mostraram uma poderosa ferramenta computacional útil para realização de estudos sistemáticos de fluídos magnéticos sobre diferentes condições. Com ele foi possível estudar as influências das características do campo magnético externo, concentração dos fluídos magnéticos, das diferentes formas de aglomerados entre outros fatores. Do ponto de vista de custo computacional o algoritmo baseado no modelo de Stoner-Wohlfarth aliado ao método de Monte-Carlo cinético se mostrou mais barato do que algoritmos que integram a equação de Landau-Lifshitz-Gilbert diretamente, porém ambos observam mesmas tendências e o software desenvolvido neste trabalho permite simular sistemas mais próximos dos estudados experimentalmente o que o torna uma ferramenta mais indicada para os estudos desejados neste trabalho. Além do legado de um algoritmo robusto e de baixo custo computacional, a partir do uso destas rotinas foi possível entender alguns aspectos fundamentais do processo de liberação de calor, como por exemplo o fato da formação de aglomerados poder contribuir para o aumento da energia liberada devido a criação de vínculos entre os eixos fáceis de magnetização das nanopartículas. As simulações mostraram que as cadeias lineares paralelas ao campo externo são o formato de aglomerado que mais contribui para o processo de liberação de energia. Por fim foi possível obter-se a demonstração de que deve haver um tamanho ótimo de cadeias lineares, fato já observado experimentalmente por colaboradores e que foi comprovado pelas simulações.

A busca por uma teoria capaz de solucionar os problemas em aberto na física, entre eles
descrever precisamente o que ocorre na escala de Planck, abriu espaço para a possibilidade de
violações em simetrias fundamentais, como Lorentz e CPT. Tentativas de incluir a violação dessas
simetrias ao Modelo Padrão culminaram no Modelo Padrão Estendido, que abrange todas as
modificações possíveis respeitando as propriedades fundamentais que o primeiro possui, como a
estrutura de calibre.
Nesse trabalho, estudamos o setor do fóton do Modelo Padrão Estendido após um processo
de redução dimensional que nos leva a um sistema em (1+2) dimensões, recaindo em um modelo
que descreve um eletromagnetismo planar com a adição de termos que existem por conta dos
parâmetros que violam Lorentz e CPT. Essa configuração traz algumas peculiaridades de grande
interesse físico, tanto teórico quanto experimental, e que só existem como resultado das violações
de simetria.
Para evidenciar essas peculiaridades, descrevemos os principais aspectos do modelo e
analisamos as interações em sistemas com fontes de campos, como cargas elétricas e cargas
escalares, além de uma fonte mais complexa conhecida como ponto de Dirac. Também estudamos
os campos eletromagnéticos gerados por essas fontes no cenário com quebra de simetrias.
Como o eletromagnetismo é muito bem conhecido e seus fenômenos foram exaustivamente
testados e descritos, foi possível fazer uma análise comparativa bem assertiva sobre as consequências físicas que resultam das violações das simetrias relativísticas no modelo planar.

Recentemente observamos um interesse crescente em uma nova classe de ciclos de motores quânticos baseados em medidas. Uma vez que medidas quânticas podem alterar o estado do sistema e sua energia interna, é possível elaborar um protocolo de medidas generalizadas para inserir/retirar calor bem como extrair trabalho do sistema. Nesta dissertação, discutiremos alguns ciclos termodinâmicos constituídos por medidas generalizadas, incluindo protocolos que operam do modo de motor, de acelerador térmico e de refrigerador. Usando técnicas de ressonância magnética nuclear (RMN) mostraremos a caracterização experimental de um motor quântico de spin 1/2 baseado em medidas generalizadas. Evidenciamos a possibilidade de se atingir eficiência unitária para esse tipo de motor em nosso experimento de prova de conceito. Por fim, vamos estudar teoricamente os efeitos da indefinição de ordens causais das medidas generalizadas nesses ciclos termodinâmicos. Para isso vamos considerar a aplicação de dois canais de medida com superposição de sua ordem de aplicação, o que é feito através de um controle quântico atrelado ao canal de medida. Veremos que o controle/indefinição de ordens causais das operações de medida desempenha um papel não trivial nos protocolos termodinâmicos quânticos estudados.

No presente trabalho construímos e estudamos detalhadamente soluções exatas representando objetos ultra-compactos no contexto da teoria de Einstein-Maxwell. Dentre tais objetos citamos buracos negros regulares e quase-buracos negros. Os objetivos principais são a construção de soluções exatas para objetos compactos estáticos, estudo da estabilidade dos mesmos frente as perturbações radiais, e a construção de soluções de buracos negros regulares e de quase-buracos negros com rotação. Com tal propósito, primeiro revisamos alguns conceitos fundamentais da Relatividade Geral e apresentamos as equações principais a serem usadas. Em particular, escrevemos explicitamente as equações de campo de Einstein para o caso de um fluido isotrópico eletricamente carregado, cuja distribuição de matéria-energia tem simetria esférica. Em seguida, apresentamos algumas soluções que representam buracos negros regulares, quase-buracos negros e outros objetos compactos eletricamente carregados. Estudamos a estabilidade desses objetos em grande nível de detalhes, determinando as regiões de estabilidade e de instabilidade em função dos parâmetros de cada modelo. Mostramos que existem vastas regiões do espaço de parâmeros contendo estrelas compactas, assim como buracos negros regulares estáveis. Mostramos também que os quase-buracos negros estudados são marginalmente estáveis. Em seguida, exploramos o algoritmo de Newman-Janis para obtenção de soluções exatas para objetos ultra-compactos com rotação. Analisamos as condições de junção que são usadas para colar este tipo de solução a métricas do tipo Kerr e Kerr-Newmann, possibilitando a construção de modelos de objetos ultra-compactos que podem representar objetos astrofísicos específicos. 

Nesta tese aplicamos a correspondência AdS/CFT a espaços-tempo oriundos de teorias que são extensões da Relatividade Geral. Em particular, estamos interessados em calcular o coeficiente de transporte , a viscosidade de cisalhamento, associada à teoria de campo efetiva que é dual ao espaço-tempo de um buraco negro no . Também é possível obter quantidades termodinâmicas via aplicação da correspondência AdS/CFT, das quais a entropia, , tem importância principalmente quando é combinada com a viscosidade de cisalhamento, tomando-se a razão . Essa razão é conjecturada ter um valor mínimo, em unidades naturais é dado por . Os principais resultados contidos nessa tese são os cálculos da razão  para dois casos diferentes, e a utilização da conjectura KSS - que estabelece o valor mínimo para a razão -, para investigação de propriedades sobre as métricas deformadas. Fazemos uma revisão da Relatividade Geral e Buracos Negros, e também introduzimos o formalismo de Branas, obtendo as equações de Einstein efetivas e soluções de Buracos Negros na Brana, que podem ser vistos como extensões de soluções conhecidas na Relatividade Geral. Discutimos a formulação da correspondência AdS/CFT, e como a aplicar para calcular coeficientes de transporte. Aplicamos então esse conhecimento para calcular o coeficiente de transporte associado às soluções que são extensões da Relatividade Geral. Naturalmente no processo de desenvolvimento desse trabalho outras questões interessantes chamam atenção, assim incluímos dois estudos que são relacionados a esse desenvolvimento. O primeiro trata de uma investigação sobre coeficientes de transporte calculados utilizando a correspondência quando setores fermiônicos são incluídos no modelo. No segundo é proposta uma forma de avaliar a aplicação da correspondência AdS/CFT através do cálculo da anomalia de Weyl.

Os materiais orgânicos têm chamado a atenção pelo baixo custo, flexibilidade e possibilidade de cobertura de grandes áreas com filmes finos. O fullereno C60 é um conhecido material do tipo n com alta condutividade elétrica em sua fase cristalina, mas isso pode ser alterado em filmes finos. O objetivo deste trabalho é elucidar a dependência da espessura da amostra das propriedades elétricas de filmes finos de Fullerene C60, para auxiliar na construção de dispositivos utilizando este material como uma camada ativa do tipo n. Relatamos o desenvolvimento de dispositivos baseados em filmes finos de fullerene C60, depositados a vapor no vácuo entre o substrato de óxido de índio e estanho (ITO) e contatos de alumínio. Quatro espessuras da camada C60 foram investigadas (50 nm, 100 nm, 150 nm e 220 nm). As caracterizações iniciais foram realizadas por medidas de curvas I x V, onde filmes mais espessos apresentam comportamento de diodo, e amostras mais finas mostram aumento no número de armadilhas e diminuição no limite da tensão aplicada (camada de 50 nm e 100 nm deterioram a 7 V) . A caracterização posterior envolveu espectroscopia de impedância, onde medições de C x V; C x frequência e condutância x frequência foram feitas. Uma zona de inversão e a formação de um pico relacionado com o relaxamento de Maxwell-Wagner do dielétrico são observadas. Como os dispositivos orgânicos tendem a apresentar uma resposta ruidosa, a análise dos dados requer atenção redobrada e, apesar do C60 ser uma molécula estável, descobrimos que em 4 dias as propriedades dos dispositivos mudam.

Neste projeto, investigamos a função espectral eta para diversos modelos com fundos topológicos, principalmente no contexto que compreende a dinâmica efetiva dos chamados materiais de Dirac. Estivemos particularmente interessados em avaliar a assimetria espectral e, consequentemente, o número fermiônico das teorias relativísticas correspondentes. A ideia central deste estudo consiste na aplicação de uma técnica recentemente proposta para tal objetivo, idealizada diante das propriedades assintóticas do traço de calor. O presente trabalho, portanto, fornece um panorama amplo de validação ao formalismo adotado. Na maior parte das aplicações, tratamos de casos em dimensões baixas, (1 + 1) e (2 + 1), porém, fora também considerado um modelo (3 + 1)-dimensional; todos com fundos topológicos solitônicos e/ou com paredes de domínio. Demonstramos que a técnica funciona bem e com relativa facilidade, recuperando vários resultados conhecidos na literatura. Ademais, o método também fornecera algumas contribuições e expressões novas para o número fermiônico (fracionário) de certos modelos teóricos importantes contendo férmions de Dirac.

Nesta tese nós estudamos modelos e fenomenologia de áxions e partículas tipo áxion (ALPs). Em particular discutimos uma extensão do Modelo Padrão baseada na simetria de {\it gauge} $SU(3)_C\otimes SU(3)_L\otimes U(1)_X$ que relaciona a massa dos férmions com a solução do problema de violação $CP$ forte por meio da simetria de Peccei-Quinn $U(1)_{PQ}$. Essa simetria surge acidentalmente com a imposição de uma simetria discreta $\ZZ_9$ que também separa as diferentes escalas no mecanismo {\it seesaw} duplo que acontece no setor dos neutrinos. A quebra de simetria é feita por três tripletos escalares e um singleto escalar que contém o campo do áxion que pode também ter o papel de uma componente de matéria escura. Combinando as escalas de energia envolvidas nós obtemos uma hierarquia natural para os férmions. Além disso o modelo pode ser testado pela busca das novas partículas que contém, e que eventualmente podem ser produzidas no LHC.

Apresentamos também a possibilidade de explorar o acoplamento de ALPs com neutrinos estéreis. Para isso, consideramos buscas no canal monofóton para vincular esses acoplamentos, quando o ALP é gerado com altíssima energia por meio do decaimento de um novo escalar pesado. Usando uma lagrangiana efetiva, nós escaneamos o espaço de parâmetros para estabelecer o alcance em que o LHC, a 13 TeV, pode testar esses acoplamentos. Também apresentamos um modelo completo no ultra-violeta para ALPs e neutrinos estéreis cujos parâmetros são abrangidos pela lagrangiana efetiva. Nós encontramos pontos no espaço de parâmetros que escapam de todos os limites experimentais e que podem ser testados nos próximos {\it runs} do LHC, inclusive uma região ainda não excluída do diagrama $m_a \times g_{a\gamma \gamma}$.

Por fim estudamos a interação Higgs-ALP no LHC, buscando por uma ressonância no polo do Higgs, dada pelo processo $h \to a a \to \gamma \gamma + jj$. Esse estado final nos permite vincular os parâmetros envolvidos na lagrangiana efetiva utilizada, e tem uma sensibilidade maior em regiões onde a busca por decaimentos do ALP unicamente em fótons não é tão efetiva, especialmente mas ALPs com massas entre 0.4 e 10 GeV.

Os últimos avanços experimentais na área de Informação Quântica vem apresentando sistemas manipuláveis com números de qubits cada vez maiores, trazendo consigo o debate sobre como verificar os estados produzidos e processos dinâmicos presentes nestas novas plataformas de maneira eficiente. A tomografia (completa) de estados quânticos é uma tarefa custosa com complexidade para n-qubits dada por Ω(4ⁿ/(1-F))(onde F é a fidelidade com relação ao estado ideal). A reconstrução de dinâmicas quânticas envolve muitas repetições desse último processo e possui complexidade ainda maior, por exemplo, o protocolo usual de tomografia de processos requer4ⁿ tomografias de estado. Considerando tal cenário, estudamos técnicas de reconstrução de estados e de processos dinâmicos em sistemas quânticos abertos assistidas por aprendizado de máquina, sendo especificamente investigadas as arquiteturas de máquinas restritas de Boltzmann e redes neurais recorrentes do tipo Long Short Term Memory e Gated Recurrent Units. Foram realizadas simulações de medidas experimentais para testar tais protocolos. Foram desenvolvidas ferramentas para ser empregadas em futuros experimentos nas plataformas experimentais para tecnologia quantica disponíveis na UFABC.

Nesse trabalho desenvolvemos a teoria de distinguibilidade de N fótons 
unicos para interferências  com detecção de fótons capaz de reolução 
precisa de tempo de chegada (detectores mais rapidos do que a duração de 
fótons).   Demonstramos  aparecimento de distinguibilidade parcial de N 
fótons numa experiência de interferencia com tal detecção precisa  
devido devido estados mistos de fótons, i.e., incertezas em parametros 
de fótons. Analise detalhada é feita com o modelo de fótons Gaussianos 
com tempo de chegada distribuido de acrodo com Gaussiano também (que 
permite resultados exatos).  Demostramos que a distribuição de 
probabilidades na saida de um interferometro espacial tem a mesma forma 
que é no caso da detecção sem registro do tempo de chegada, aonde uma 
função de grupo de permutações de N objetos serve como funcção de 
distinguibilidade de fótons. Recuperamos os resultados previos 
publicados em  trabalhos  sobre assunto, aonde fótons eram supostos em 
estados puros, mas vamos alem do resultados publicados, em particular 
achamos que distinguibilidade de  fótons  devido estados mistos deles 
não pode ser compensada pela detecção mesmo com precisão absoluta.

No mundo dos detectores à gás a tecnologia Micro-Pattern Gaseous Detector (MPGD), como os detectores Gas Electron Multiplier (GEM), são atualmente a melhor opção para detecção e rastreamento de radiação ionizante e partículas carregadas em termos de resolução espacial e ganho de sinal. Esses detectores são úteis também para lidar com o problema do Ion Back Flow (IBF), que distorce o campo elétrico e diminui a eficiência dos detectores. Assim, podem ser usados em detectores sob o sistema de aquisição contínua de dados em experimentos de colisão. No entanto, MPGDs podem ser consideravelmente caros e exigem equipamento específico para que sua construção seja viável. Portanto, há esforços de usar o mesmo conceito dessa tecnologia mas a um custo menor e, consequentemente, menor resolução. Este trabalho busca simular um desses detectores, o ThickGEM, e compará-lo com o Multi-Wire Proportional Chamber (MWPC), que é a tecnologia anterior e ainda amplamente utilizada. Uma simulação completa é feita para ambos tipos de detectores (ThickGEM e MWPC), primeiro usando o toolkit GEANT4 para as interações iniciais da partícula incidente ou radiação com o material sensível do detector, gerando ionizações iniciais. Então, para os detectores em si, o Garfield++ é utilizado para o transporte microscópico dos elétrons originados das interações primárias, simualação da avalanche e indução do sinal.

Neste trabalho, consideramos uma generalização da lei de Ohm, nos limites em que o campo elétrico no referencial do plasma ideal é proporcional à taxa de variação temporal da densidade de corrente; a proporção leva em conta os efeitos devido à massa finita do elétron. Mostramos que tais limites são satisfeitos para uma densidade de número n_e sucientemente pequena. Mostramos também que ν_ei, a frequência de colisões elétron-íon, é muito menor do que ω_ci, a frequência ciclotron dos íons. A combinação desta última condição com o critério de Lawson, para a fusão deutério-trítio no ITER, fornece um limite inferior para a média geométrica de τ_C, o tempo de confinamento, e do intervalo entre colisões, a saber, (τ_C/ν_ei)^1/2  >> 10⁻⁵ s. Nesse mesmo contexto, estimamos que n_e ∼ 10¹⁹ m⁻³ e comparamos parâmetros típicos do plasma aqui tratado com plasmas em outros cenários. Quando n_e varia pouco espacial e temporalmente, generalizamos o teorema de Alfvén, onde o fluxo de um campo magnético efetivo é conservado, o qual depende da profundidade pelicular finita do elétron. Esse resultado nos permite definir um fator de segurança efetivo, de onde obtemos superfícies racionais efetivas, deslocadas em relação às usuais. Considerando perturbações helicoidais de um tokamak cilíndrico em equilíbrio com simetria axial, somos conduzidos à relação de dispersão. Tal relação é aplicada ao modelo peaked, o qual assume que a componente poloidal do campo magnético de equilíbrio possui o perfil de uma derivada logarítmica. Nossa formulação analítica mostra que os efeitos inerciais levam a um pico de instabilidade três vezes maior, além de um aumento de duas ordens de grandeza no raio da coluna cilíndrica estável.

Discutimos o problema de hierarquia dos férmions quanto aos acoplamentos de Yukawa como também suas massas, baseado em um grupo de simetria $SU(3)_{c}\otimes S(3)_{L}\otimes U(1)_{X}$. O modelo 3-3-1 é então desenvolvido de modo que o setor escalar seja o mínimo possível. A quebra de simetria é obtida através de dois tripletos escalares e o espectro escalar contém apenas dois bósons de Higgs neutros, o mais leve definido como o do Modelo Padrão. Por outro lado, é observado que para o modelo 3-3-1 com o conteúdo mínimo de campos, torna-se impossível que todos os férmions adquiram massa, com apenas operadores renormalizáveis, porque uma simetria global quiral é observada. Para quebrar esta simetria quiral, introduzimos operadores de dimensão-5. Além do mais, uma supressão natural é observada para a massa dos léptons é para a massa dos quarks tipo up do Modelo Padrão. Tal supressão é obtida através dos pequenos ângulos de mistura entre a terceira família família dos quarks com os demais. Porém, nos quarks tipo down essa hierarquia não se observa.

Construímos uma segunda versão deste modelo, impondo uma invariância de escala, no qual, apenas constantes de acoplamentos adimensionais são permitidos no modelo. Assim, propomos um modelo mínimo com mais um singleto escalar, e uma família de tripletos leptônicos e quarks como também anti-tripletos de quarks, como vetores, a fim de que gere massa para todas os férmios, com apenas operadores renormalizáveis. Entretanto, a quebra de simetria é gerada dinamicamente via correções radiativas a partir do mecanismo de Coleman-Weinberg. Neste modelo, acrescentamos uma simetria discreta $Z_8$, para restringir as interações entre os escalares e os acoplamentos de Yukawa. Observamos que aparece uma simetria global $U(1)_{N}$. Uma simetria residual aparece quando a simetria formada por $U(1)_{N}$ e $U(1)_{B}$ é quebrada, e implicações fenomenológicas é observada como a estabilização da partícula mais leve na escala TeV.

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Os compostos intermetálicos R3M4Sn13 (R = terra rara ou alcalino terroso, M = metal de transição) são compostos de estrutura de gaiolas que pertencem à classe de intermetálicos de elétrons correlacionados, de estrutura cúbica pertencente ao grupo espacial Pm-3n (No 223). Apesar da estrutura relativamente simples, os materiais desta família apresentam uma grande variedade de propriedades físicas interessantes, como comportamento de férmions pesados, supercondutividade, estruturas magnéticas complexas, efeito Kondo, ondas de densidade de cargas, etc. Uma característica comum a vários membros da família R3M4Sn13 é a ocorrência de uma distorção estrutural associada às gaiolas de Sn em uma temperatura T* abaixo da temperatura ambiente. Essa distorção está associada a uma perda de simetria pontual de alguns átomos, diminuindo a simetria do grupo espacial devido ao deslocamento dos íons de Sn das gaiolas e dobrando o parâmetro de rede. Esta família recuperou recentemente o interesse da comunidade científica devido à possível existência de um ponto crítico quântico estrutural induzido por pressão, como sugerido para o sistema supercondutor (Sr, Ca)3Ir4Sn13. Este resultado motiva o estudo sistemático de outros compostos
correlatos, sejam supercondutores ou magnéticos. Neste trabalho, apresentamos nossos resultados das propriedades estruturais, magnéticas e térmicas em monocristais do composto antiferromagneto Gd3Ir4Sn13
sintetizados por meio da técnica de auto fluxo de Sn. As amostras foram caracterizadas por difração de pó de raios-x à temperatura ambiente a fim de identificar a fase e verificar a sua pureza. Esses compostos são formados por dois tipos de gaiolas, uma formada por um icosaedro com os átomos de Sn e outro formado por um cubo-octaedro deformado com o átomo de Gd como hospede dessa gaiola. As distorções dessas gaiolas são observadas à temperatura ambiente, com parâmetro de rede a ≈ 19.25 Å e grupo espacial I4132 (No 214). Medidas de susceptibilidade magnética e calor específico em função da temperatura para diferentes campos magnéticos foram realizadas a fim de analisar as propriedades do monocristal e os dados mostram a ocorrência de uma dupla transição magnética em e TN1 ≈ 9,0 K e TN2 ≈ 10,2 K para H = 0 para orientações de
campo paralelas aos eixos cristalográficos [100] e [110]. A partir do ajuste do inverso da suscetibilidade versus temperatura observamos que o Gd3Ir4Sn13 obedece a um comportamento do tipo lei de Curie-Weiss com temperatura de Curie de -23,2 K e momento magnético efetivo μeff ≈ 8,1 μB / átomo-Gd, que é comparável ao valor teórico de 7,94 μB / átomo-Gd para o íon livre de Gd3+. Mapeando a evolução das temperaturas de transição magnética características em função do campo magnético, obtivemos o diagrama de fases T-H inédito para as duas orientações de campo investigadas para o monocristal Gd3Ir4Sn13. Nossos resultados revelam uma evolução não trivial das transições magnéticas, com o surgimento de uma terceira transição induzida pelo campo. As medidas também mostram que as transições magnéticas são todas de segunda ordem. Discutimos nossos resultados em termos de um arranjo unidimensional de cadeias de íons de Gd3+ paralelas aos três eixos cristalográficos principais.

O estudo de raios cósmicos de ultra-alta energia é baseado em medições indiretas, detectando os chuveiros atmosféricos extensos. A partir da observação experimental dos chuveiros atmosféricos e utilizando as previsões dos modelos de interação hadrônica, é possível inferir propriedades de primários cósmicos em energias superiores às do que qualquer acelerador de partículas terrestre é capaz de alcançar. Para explorar as propriedades dos chuveiros é preciso comparar as observações experimentais com as simulações computacionais de raios cósmicos. Neste sentido, utilizaremos os modelos EPOS(LHC), QGSJETII-04 e Sibyll2.3c com código CONEX-2r6.40, que é capaz de realizar diferentes extrapolações nos parâmetros físicos, como a elasticidade, multiplicidade, seção de choque próton-ar e razão de píons carregados. Nesta dissertação, iremos analisar o impacto dessas extrapolações nos observáveis X_max e X_max^mu e demonstraremos que algumas alterações têm impacto significativo nos observáveis, como o caso do número médio de múons, que é pouco sensível à alterações na seção de choque inelástica, mas sensível à escolha do primário cósmico. Outra medida significativa neste trabalho é a determinação da seção de choque próton-ar, na qual foram utilizados dados híbridos e Golden do Observatório Pierre Auger. O método k-factor foi utilizado, consistindo no estudo da distribuição da profundidade média do máximo <X_max> e determinando a seção de choque através de uma conversão do comprimento de atenuação. A título de informação, considerando o modelo QGSJETII-02 para os dados híbridos, obtivemos sigma_p-ar = 555,46 +- 11,03 mb à uma energia média de 10^17,9 eV e sigma_p-ar = 597,36 +- 10,50 mb à uma energia média de 10^18,25 eV.

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Este trabalho teve como principal objetivo o estudo das propriedades elétricas, eletroquímicas e fotoeletroquímicas de estruturas unidimensionais de compostos inorgânicos, especificamente de óxido de ferro (α-Fe2O3) em escala nanométrica crescidas em substratos transparentes condutores. A principal abordagem deste plano de doutorado destina-se à investigação das propriedades fundamentais de transporte nas interfaces sólido-líquido e sólido-sólido, buscando um entendimento da cinética de transporte de cargas, almejando uma perspectiva de aumento na eficiência de materiais em aplicações em células fotoeletroquímicas (PEC). As nanoestruturas foram sintetizadas por via úmida (baixo impacto ambiental e complexidade), em condições hidrotérmicas, com destaque para rota química assistida por micro-ondas. Desta forma, o foco principal do plano de trabalho está na caracterização foto/eletroquímica com intuito de compreender as propriedades de interface e de transporte desse semicondutor e converter esse conhecimento em ganho na aplicação desses materiais na produção de hidrogênio a partir da fotoeletrólise da molécula de H2O (também conhecida como “fotossíntese artificial”).

            O estudo de novas estratégias para fabricação de nano-microestruturas e suas propriedades físicas é muito importante desde o ponto de vista científico quanto para aplicações tecnológicas. Sistemas semicondutores nano-heteroestruturados baseados em óxidos de metais de transição e de haletos metálicos com estrutura do tipo perovskita têm despertado grande interesse devido a suas importantes propriedades físicas e potenciais aplicações. Neste trabalho, foram sintetizados pontos quânticos (PQs) de perovskita CsPbX₃(X = Br, I e Cl) e nano/microestruturas (microtubos e nanofios) de TiO₂e ZnO, assim como o estudo de caracterização das suas propriedades físicas isoladas. Além disso, combinamos ambas as famílias de semicondutores decorando o microtubo de TiO₂com pontos quânticos formando nano-heteroestruturas locais.

            Inicialmente, a síntese de PQs de perovskita para os três íons de haletos foi realizada usando os métodos de injeção à quente e de recristalização supersaturada. As imagens de microscopia eletrônica de transmissão mostram a formação de nanocristais de CsPbBr₃de morfologia cúbica com dimensões em torno de 10 nm, com espaçamento interplanar de 2.45 Å correspondente ao plano cristalino (012). A caracterização das propriedades ópticas por medidas de absorção revelaram a presença de dois gaps de energias correspondentes ao CsPbBr₃(2.34 eV) e rutilo-TiO₂(2.97 eV).

            Por outro lado, micro/nanoestruturas tubulares de TiO₂e ZnO com diferentes configurações (microtubos, nanofios e estruturas tipo core-shell) foram obtidas. Microestruturas ocas foram obtidas pelo processo de oxidação térmica na presença de corrente elétrica. Reportamos uma nova rota para a fabricação de materiais ocos. Esta nova rota de síntese consiste na combinação de processos de oxidação térmica em conjunto com a aplicação de corrente elétrica durante a transição de fase estrutural. Além disso, os resultados revelaram um importante fenômeno físico baseado na transferência de massa colossal através da rede cristalina, grãos e difusão superficial de íons de Ti formando microtubos de TiO₂. A transição de fase estrutural do Ti metálico que ocorre em alta temperatura aumenta a mobilidade dos íons de Ti, criando vacâncias no sistema. A corrente elétrica carrega essas vacâncias para a direção interna dos microtubos que se condensam em buracos.

            Por outro lado, nanoestruturas hierárquicas de ZnO também foram estudadas usando a mesma abordagem citada. No caso, a temperatura de oxidação adotada é superior ao ponto de fusão do Zn metálico (T_F= 420 °C). Por esta rota, foram obtidas estruturas hierárquicas com nanofios na superfície externa e nanosticks na superfície interna dos microtubos. Durante todo o processo de oxidação térmica, foram realizadas medições in situda resistividade elétrica em função da temperatura para ambos os sistemas. Sugerimos um mecanismo para a formação dessas micro/nanoestruturas combinando o processo de difusão iônica e migração induzida por estresse de íons Zn devido ao estresse compressivo.

            Por último, foram produzidas e estudadas as propriedades físicas das nano-heteroestruturas locais, acoplando os PQs CsPbBr₃na superfície do microtubo de TiO₂. Foi observado o efeito de coalescência dos QDs quando estão depositados na superfície do microtubo, aumentando suas dimensões para 40 nm. As medidas de fotoluminescência mostram um deslocamento do espectro de emissão para o vermelho, o que confirma o aumento no tamanho dos nanocristais. As medidas de decaimento da fotoluminescência resolvidas no tempo sugerem uma diferença na dinâmica de carga ao comparar as duas amostras isoladas, revelando que há interação entre os PQs de CsPbBr₃e a superfície do microtubo, o que confirma a formação de heteroestruturas locais. O microtubo de TiO₂decorado com PQs exibe uma grande diminuição na resistividade elétrica, atingindo quase 95% se comparado com o microtubo de TiO₂. Esse aumento significativo na condutividade elétrica está associado à transferência de carga dos nanocristais de perovskita para o microtubo semicondutor, que pode ser manipulada de forma a controlar suas propriedades eletrônicas.

As técnicas holográficas são técnicas interferométrico-difrativas que permitem o registro e a reconstrução de frentes de onda de objetos e feixes ópticos. Nas últimas décadas, o aumento da capacidade de processamento e armazenagem dos microcomputadores, o desenvolvimento de novos dispositivos optoeletrônicos e o surgimento de novos materiais fotossensíveis vem possibilitando a viabilidade dos hologramas gerados por computador e a implementação experimental de sistemas holográficos de registro e reconstrução numéricas e ópticas de geração de ondas e feixes ópticos especiais. Particularmente, a geração experimental de feixes ópticos não-difrativos via técnicas holográficas (por exemplo, feixes de Bessel, feixes de Mathieu, feixes Parabólicos, feixes de Airy e a superposição destes feixes) têm despertado grandes perspectivas de utilização em sistemas de manipulação óptica, particularmente, pinças ópticas e sistemas de ’raios trator’ nas áreas biológicas e nanotecnologia. Neste trabalho estudamos teórica e experimentalmente as técnicas de geração de hologramas computacionais de amplitude e fase implementadas em sistemas de modulação para geração destes feixes de forma cada vez mais optimizada gerando feixes de alta qualidade óptica. E assim, desenvolvemos um sistema de manipulação e captura óptica holográfica, pinça óptica holográfica (holographic optical tweezer), que utiliza feixes não-difrativos (e/ou matriz de feixes de não-difrativos). Os resultados obtidos estão de acordo com as previsões teóricas e abrem novas possibilidades para aplicações de força controlada em manipulação óptica de micro e nano-partículas.

O modelo ΛCDM é atualmente a melhor proposta para explicar as observações cós- micas, porém o principal candidato à energia escura, Λ, possui vários problemas funda- mentais, como o problema da coincidência e o da constante cosmológica.
Motivado por esses problemas apresentamos alguns resultados referentes à classe de modelos de Λ variável. No primeiro desses modelos, com Λ proporcional à potências de H, mostramos como os problemas são aliviados, tanto sem quanto com a presença da curvatura κ.
No segundo desses modelos, com Λ ∝ a−2, estudamos especificamente a chamada tensão SNe-CMB, que é uma discrepância nos valores medidos da curvatura pelas super- novas, que indicam um universo fechado, e pela radiação cósmica de fundo, que prefere um universo plano. Mostramos como essa diferença pode ser um efeito do decaimento do vácuo.
Por fim, analisamos um modelo onde o valor observado da constante cosmológica hoje é resultado de um campo escalar preso no falso vácuo de seu potencial, cuja transição para o verdadeiro vácuo ainda esta para se realizar através do processo de tunelamento quântico, que foi estudado na aproximação de parede fina.

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