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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.43.2017.tde-19122017-015208
Documento
Autor
Nome completo
Nelson Javier Buitrago Aza
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2017
Orientador
Banca examinadora
Marchetti, Domingos Humberto Urbano (Presidente)
Barata, Joao Carlos Alves
Merkli, Marco
Ribeiro, Pedro Lauridsen
Teotonio Sobrinho, Paulo
Título em português
Princípios de grandes desvios para a condutividade microscópica de férmions em cristais
Palavras-chave em português
Lei de Ohm
Métodos construtivos de teoria de campos.
Princípios de grandes desvios
Sistemas fermiônicos em equilíbrio
Resumo em português
Esta tese trata a existência de Princpios de Grandes Desvios (PGD), no âmbito de sistemas fermiônicos em equilbrio. A motivação fsica detrás de nossos estudos são medidas experimentais de resistência elétrica de nanofios de silcio dopados com átomos de fósforo. Estas medidas mostram que efeitos quânticos no transporte de carga elétrica quase desaparecem para nanofios de comprimentos maiores que alguns nanômetros, mesmo para temperaturas muito baixas (4.2°K). A fim de provar matematicamente tal efeito, dividimos nosso trabalho em diversos passos: 1. No primeiro passo, para férmions não interagentes numa rede com desordem, mostramos que a incerteza quântica da densidade da corrente elétrica microscópica, em torno de seus valores macroscópicos(clássicos), é suprimida exponencialmente rápido em relação ao volume da região da rede onde um campo elétrico externo é aplicado. A desordem é modelada como um potencial elétrico aleatório juntamente com amplitudes aleatórias de saltos com valores complexos. O célebre modelo de Anderson de tight-binding é um exemplo particular do caso geral considerado aqui. Nossa análise matemática é baseada em estimativas de Combes-Thomas, o Teorema Ergódico de Akcoglu-Krengel e no formalismo de Grandes Desvios, em particular o Teorema de Gärtner-Ellis. 2. Em segundo lugar, provamos que, para férmions interagindo fracamente na rede, as funções geradoras J(s), s R de cumulantes de distribuições de probabilidades associadas com estados KMS pode ser escrito como o limite de logartmos de integrais gaussianas de Berezin. Mostramos que os determinantes das covariáncias associadas às integrais gaussianas são majorados uniformemente (via desigualdades de Hölder para normas Schatten). Tais covariâncias são também somáveis, em casos gerais de interesse, incluindo assim, sistemas que não são invariantes por translação. 3. No terceiro passo, analisamos expansões de logartmos de integrais gaussianas de Berezin, e assim combinando com métodos construtivos de teoria quântica de campos, mostramos a analiticidade de J(s) para s nas vizinhanças de 0. Finalmente, discutimos como combinar os passos 2-3, a fim de provar (matematicamente falando) os resultados experimentais mencionados acima para férmions interagindo em equilbrio. De fato, os resultados encontrados nesta tese, generalizam trabalhos prévios no âmbito do PGD usado para o estudo de sistemas quânticos.
Título em inglês
Large Deviation Principles for the Microscopic Conductivity of Fermions in Crystals
Palavras-chave em inglês
constructive methods of quantum field theory
Large Deviation Principles
Lattice Fermion Systems at equilibrium
Ohm\'s Law
Resumo em inglês
This Thesis deals with the existence of Large Deviation Principles (LDP) in the scope of fermionic systems at equilibrium. The physical motivation beyond our studies are experimental measures of electric resistance of nanowires in silicon doped with phosphorus atoms. The latter demonstrate that quantum effects on charge transport almost disappear for nanowires of lengths larger than a few nanometers, even at very low temperature (4.2°K). In order to mathematically prove the latter, we divide our work in several steps: 1. In the first step, for noninteracting lattice fermions with disorder, we show that quantum uncertainty of microscopic electric current density around their (classical) macroscopic values is suppressed, exponentially fast with respect to the volume of the region of the lattice where an external electric field is applied. Disorder is modeled by a random external potential along with random, complex-valued, hopping amplitudes. The celebrated tight-binding Anderson model is one particular example of the general case considered here. Our mathematical analysis is based on Combes-Thomas estimates, the Akcoglu-Krengel ergodic theorem, and the large deviation formalism, in particular the Gärtner-Ellis theorem. 2. Secondly, we prove that for weakly interacting fermions on the lattice, the logarithm moment generating function J(s), s R of probability distributions associated with KMS states can be written as the limit of logarithms of Gaussian Berezin integrals. The covariances of the Gaussian integrals are shown to have a uniform determinant bound (via Hölder inequalities for Schatten norms) and to be summable in general cases of interest, including systems that are not translation invariant. 3. In the third step we analyze expansions of logarithms of Gaussian Berezin integrals, which combined with constructive methods of quantum field theory is useful to show the analyticity of J(s) for s in a neighborhood of 0. We finally discuss how to combine steps 2-3 in order to prove (mathematically speaking) for interacting fermions in equilibrium the experimental results above mentioned. In fact, the found results in this Thesis generalize previous works in the scope of LDP used to study quantum systems.
 
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PhDThesis.pdf (1.53 Mbytes)
Data de Publicação
2017-12-22
 
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