Complete spin and orbital evolution of close-in bodies using a Maxwell viscoelastic rheology

In this paper, we present a formalism designed to model tidal interaction with a viscoelastic body made of Maxwell material. Our approach remains regular for any spin rate and orientation, and for any orbital configuration including high eccentricities and close encounters. The method is to integrate simultaneously the rotation and the position of the planet as well as its deformation. We provide the equations of motion both in the body frame and in the inertial frame. With this study, we generalize preexisting models to the spatial case and to arbitrary multipole orders using a formalism taken from quantum theory. We also provide the vectorial expression of the secular tidal torque expanded in Fourier series. Applying this model to close-in exoplanets, we observe that if the relaxation time is longer than the revolution period, the phase space of the system is characterized by the presence of several spin-orbit resonances, even in the circular case. As the system evolves, the planet spin can visit different spin-orbit configurations. The obliquity is decreasing along most of these resonances, but we observe a case where the planet tilt is instead growing. These conclusions derived from the secular torque are successfully tested with numerical integrations of the instantaneous equations of motion on HD 80606 b. Our formalism is also well adapted to close-in super-Earths in multiplanet systems which are known to have non-zero mutual inclinations.

Cassini states for black hole binaries

Cassini states correspond to the equilibria of the spin axis of a body when its orbit is perturbed. They were initially described for planetary satellites, but the spin axes of black hole binaries also present this kind of equilibria. In previous works, Cassini states were reported as spin-orbit resonances, but actually the spin of black hole binaries is in circulation and there is no resonant motion. Here we provide a general description of the spin dynamics of black hole binary systems based on a Hamiltonian formalism. In absence of dissipation, the problem is integrable and it is easy to identify all possible trajectories for the spin for a given value of the total angular momentum. As the system collapses due to radiation reaction, the Cassini states are shifted to different positions, which modifies the dynamics around them. This is why the final spin distribution may differ from the initial one. Our method provides a simple way of predicting the distribution of the spin of black hole binaries at the end of the inspiral phase.

On the rotation of co-orbital bodies in eccentric orbits

We investigate the resonant rotation of co-orbital bodies in eccentric and planar orbits. We develop a simple analytical model to study the impact of the eccentricity and orbital perturbations on the spin dynamics. This model is relevant in the entire domain of horseshoe and tadpole orbit, for moderate eccentricities. We show that there are three different families of spin-orbit resonances, one depending on the eccentricity, one depending on the orbital libration frequency, and another depending on the pericenter's dynamics. We can estimate the width and the location of the different resonant islands in the phase space, predicting which are the more likely to capture the spin of the rotating body. In some regions of the phase space the resonant islands may overlap, giving rise to chaotic rotation.

Studies on magnetocaloric and magnetic coupling effects

O presente trabalho apresenta novas metodologias desenvolvidas para a análise das propriedades magnéticas e magnetocalóricas de materiais, sustentadas em considerações teóricas a partir de modelos, nomeadamente a teoria de transições de fase de Landau, o modelo de campo médio molecular e a teoria de fenómeno crítico. São propostos novos métodos de escala, permitindo a interpretação de dados de magnetização de materiais numa perspectiva de campo médio molecular ou teoria de fenómeno crítico. É apresentado um método de estimar a magnetização espontânea de um material ferromagnético a partir de relações entropia/magnetização estabelecidas pelo modelo de campo médio molecular. A termodinâmica das transições de fase magnéticas de primeira ordem é estudada usando a teoria de Landau e de campo médio molecular (modelo de Bean-Rodbell), avaliando os efeitos de fenómenos fora de equilíbrio e de condições de mistura de fase em estimativas do efeito magnetocalórico a partir de medidas magnéticas. Efeitos de desordem, interpretados como uma distribuição na interacção magnética entre iões, estabelecem os efeitos de distribuições químicas/estruturais nas propriedades magnéticas e magnetocalóricas de materiais com transições de fase de segunda e de primeira ordem. O uso das metodologias apresentadas na interpretação das propriedades magnéticas de variados materiais ferromagnéticos permitiu obter: 1) uma análise quantitativa da variação de spin por ião Gadolínio devido à transição estrutural do composto Gd5Si2Ge2, 2) a descrição da configuração de cluster magnético de iões Mn na fase ferromagnética em manganites da família La-Sr e La-Ca, 3) a determinação dos expoentes críticos β e δ do Níquel por métodos de escala, 4) a descrição do efeito da pressão nas propriedades magnéticas e magnetocalóricas do composto LaFe11.5Si1.5 através do modelo de Bean-Rodbell, 5) uma estimativa da desordem em manganites ferromagnéticas com transições de segunda e primeira ordem, 6) uma descrição de campo médio das propriedades magnéticas da liga Fe23Cu77, 7) o estudo de efeitos de separação de fase na família de compostos La0.70-xErxSr0.30MnO3 e 8) a determinação realista da variação de entropia magnética na família de compostos de efeito magnetocalórico colossal Mn1-x-yFexCryAs.