Matéria ativa em rede: um modelo do tipo Vicsek com volume excluído
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Lattice active matter: a Vicsek-type model with excluded volume
Primeiro orientador
Membros da banca
Lucas Alvares da Silva Mól
Lucas Lages Wardil
Nuno Miguel Azevedo Machado de Araújo
Fabrício Queiroz Potiguar
Lucas Lages Wardil
Nuno Miguel Azevedo Machado de Araújo
Fabrício Queiroz Potiguar
Resumo
Nas últimas décadas, o estudo do movimento coletivo vem despertando grande interesse da
comunidade científica. A aplicação de técnicas da mecânica estatística levou a uma melhor
compreensão de sistemas que exibem esse tipo de movimento, abordadas na área de matéria
ativa. Através de modelos computacionais, aliados aos conceitos de transições de fase,
características comuns e independente de escala foram estabelecidos para a matéria ativa.
Nesse contexto, o modelo proposto por Vicsek et al. (1995), apesar de sua simplicidade,
é usado como ponto de partida para várias generalizações e variações que vêm sendo
aplicadas em uma grande variedade de problemas.
Com o objetivo de auxiliar na compreensão do limite de aplicabilidade da classe de
universalidade de Vicsek, propusemos um modelo que segue as regras básicas do modelo
original implementadas em um sistema de matéria ativa em rede (triangular), onde as
partículas podem assumir três velocidades e os sítios podem ser ocupados por até uma
única partícula (volume de exclusão). Simulações de Monte Carlo revelaram que, ao variar
a densidade e a intensidade do ruído, diversos padrões espaciais emergem nos estados
estacionários. Estados ordenados ocorrem na forma de estruturas condensadas, que, exceto
na rede completamente ocupada, coexiste com um vapor de baixa densidade. Por outro
lado, essas estruturas se desfazem para ruídos suficientemente grandes.
Além disso, caracterizamos o parâmetro de ordem associado e desenvolvemos um estudo
detalhado da transição ordenado-desordenado para (i) densidade igual a 0.1 e (ii) rede
completamente cheia. No primeiro caso, verificamos que a transição é descontínua, com
curvas de histerese, comportamentos não monotônicos para o cumulante de Binder, entre
outros. No segundo caso, verificamos uma transição de fase contínua, com expoentes
críticos β/ν = 0.138(3) e γ/ν = 1.70(2), consistente com os do modelo de Potts de três
estados.
Abstract
In recent decades, the study of collective motion has garnered significant interest from the
scientific community. The application of statistical mechanics techniques has led to a better
understanding of these types of systems, known as active matter. Through computational
models, combined with nonequilibrium phase transition concepts, common characteristics,
that are independent of scale, have been established for active matter. In this context, the
model proposed by Vicsek et al. (1995), despite its simplicity, serves as a starting point for
various generalizations and variations that have been applied to a wide range of different
problems.
Aiming to understand the applicability limits of the Vicsek universality class, we proposed
a model that follows the basic rules of the original model, implemented in an active matter
system on a triangular lattice, where the particles can only assume three velocities and the
sites can only be occupied by a single particle (exclusion volume). Monte Carlo simulations
revealed that, varying the density and noise intensity, our model exhibits a variety of
spatial patterns in the stationary states. Ordered states occur in the form of condensed
structures, which, except in a fully occupied lattice, coexist with a low-density vapor and
eventually disband for sufficiently large noise.
Additionally, we use the order parameter to conduct a detailed study of the ordereddisordered
transition for (i) a density equal to 0.1 and (ii) a fully occupied lattice. In
the first case, we found that the transition is discontinuous, with hysteresis curves, nonmonotonic
behavior for the Binder cumulant, among others. In the second case, we observed
a continuous phase transition, with critical exponents β/ν = 0.138(3) and γ/ν = 1.70(2),
consistent with those of the three-state Potts model.
Assunto
Matéria, Gás de rede, Transição de fase
Palavras-chave
Matéria ativa, Gás em rede ativo, Diagrama de fase, Transição de fase
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