Nonequilibrium spin-glass dynamics from picoseconds to a tenth of a second

We study numerically the nonequilibrium dynamics of the Ising spin glass, for a time spanning 11 orders of magnitude, thus approaching the experimentally relevant scale (i.e., seconds). We introduce novel analysis techniques to compute the coherence length in a model-independent way. We present strong evidence for a replicon correlator and for overlap equivalence. The emerging picture is compatible with noncoarsening behavior.

Ion heating in transitions to CERC in the stellarator TJ-II

In TJ-II stellarator plasmas, in the electron cyclotron heating regime, an increase in the ion temperature is observed, synchronized with that of the electron temperature, during the transition to the core electron-root confinement (CERC) regime. This rise in ion temperature should be attributed to the joint action of the electron–ion energy transfer (which changes slightly during the CERC formation) and an enhancement of the ion confinement. This improvement must be related to the increase in the positive electric field in the core region. In this paper, we confirm this hypothesis by estimating the ion collisional transport in TJ-II under the physical conditions established before and after the transition to CERC. We calculate a large number of ion orbits in the guiding-centre approximation considering the collisions with a background plasma composed of electrons and ions. The ion temperature profile and the thermal flux are calculated in a self-consistent way, so that the change in the ion heat transport can be assessed.

Critical properties of the four-state commutative random permutation glassy Potts model in three and four dimensions

We investigate the critical properties of the four-state commutative random permutation glassy Potts model in three and four dimensions by means of Monte Carlo simulations and a finite-size scaling analysis. By using a field programmable gate array, we have been able to thermalize a large number of samples of systems with large volume. This has allowed us to observe a spin-glass ordered phase in d=4 and to study the critical properties of the transition. In d=3, our results are consistent with the presence of a Kosterlitz-Thouless transition, but also with different scenarios: transient effects due to a value of the lower critical dimension slightly below 3 could be very important.

Estudo da solidificação equiaxial utilizando o modelo do campo de fases tridimensional.

Este trabalho apresenta um estudo da solidificação de metais puros utilizando o modelo de campo de fases. O modelo é utilizado para simular a solidificação com o intuito de obter a morfologia da interface sólido-líquido sob diversas condições de transferência de calor. Foram realizados testes de validação comparando as morfologias da interface sólido-líquido obtida com as morfologias apresentadas em trabalhos anteriores para os casos bi e tridimensionais. O modelo do campo de fases adotado consiste principalmente de duas equações diferenciais: uma para calcular a variável de campo de fases e outra para calcular o campo de temperaturas. As equações foram solucionadas numericamente para um oitavo do domínio devido a simetria do problema. Os cálculos do modelo indicam que um sólido esférico com um raio inicial menor que o raio crítico de nucleação refunde. Entretanto uma esfera de raio maior cresce. Quando o sólido inicial cresce em uma malha numérica relativamente grosseira, a forma do sólido desvia da forma esférica devido perturbações na interface sólido-líquido. Quando a malha é refinada, as perturbações não são detectadas; contudo, quando introduzidas artificialmente as perturbações crescem e distorcem o formato esférico.

A contribution on modeling methodologies for multibody systems.

Multibody System Dynamics has been responsible for revolutionizing Mechanical Engineering Design by using mathematical models to simulate and optimize the dynamic behavior of a wide range of mechanical systems. These mathematical models not only can provide valuable informations about a system that could otherwise be obtained only by experiments with prototypes, but also have been responsible for the development of many model-based control systems. This work represents a contribution for dynamic modeling of multibody mechanical systems by developing a novel recursive modular methodology that unifies the main contributions of several Classical Mechanics formalisms. The reason for proposing such a methodology is to motivate the implementation of computational routines for modeling complex multibody mechanical systems without being dependent on closed source software and, consequently, to contribute for the teaching of Multibody System Dynamics in undergraduate and graduate levels. All the theoretical developments are based on and motivated by a critical literature review, leading to a general matrix form of the dynamic equations of motion of a multibody mechanical system (that can be expressed in terms of any set of variables adopted for the description of motions performed by the system, even if such a set includes redundant variables) and to a general recursive methodology for obtaining mathematical models of complex systems given a set of equations describing the dynamics of each of its uncoupled subsystems and another set describing the constraints among these subsystems in the assembled system. This work also includes some discussions on the description of motion (using any possible set of motion variables and admitting any kind of constraint that can be expressed by an invariant), and on the conditions for solving forward and inverse dynamics problems given a mathematical model of a multibody system. Finally, some examples of computational packages based on the novel methodology, along with some case studies, are presented, highlighting the contributions that can be achieved by using the proposed methodology.

Identificação de sistemas para o estudo de controle motor.

Qualquer tarefa motora ativa se dá pela ativação de uma população de unidades motoras. Porém, devido a diversas dificuldades, tanto técnicas quanto éticas, não é possível medir a entrada sináptica dos motoneurônios em humanos. Por essas razões, o uso de modelos computacionais realistas de um núcleo de motoneurônios e as suas respectivas fibras musculares tem um importante papel no estudo do controle humano dos músculos. Entretanto, tais modelos são complexos e uma análise matemática é difícil. Neste texto é apresentada uma abordagem baseada em identificação de sistemas de um modelo realista de um núcleo de unidades motoras, com o objetivo de obter um modelo mais simples capaz de representar a transdução das entradas do núcleo de unidades motoras na força do músculo associado ao núcleo. A identificação de sistemas foi baseada em um algoritmo de mínimos quadrados ortogonal para achar um modelo NARMAX, sendo que a entrada considerada foi a condutância sináptica excitatória dendrítica total dos motoneurônios e a saída foi a força dos músculos produzida pelo núcleo de unidades motoras. O modelo identificado reproduziu o comportamento médio da saída do modelo computacional realista, mesmo para pares de sinal de entrada-saída não usados durante o processo de identificação do modelo, como sinais de força muscular modulados senoidalmente. Funções de resposta em frequência generalizada do núcleo de motoneurônios foram obtidas do modelo NARMAX, e levaram a que se inferisse que oscilações corticais na banda-beta (20 Hz) podem influenciar no controle da geração de força pela medula espinhal, comportamento do núcleo de motoneurônios até então desconhecido.

Modelo preditivo fuzzy da mobilização do solo no sistema de plantio direto.

As culturas do milho e da soja respondem pela maior parte da produção nacional de grãos, predominando o sistema de plantio direto. Para uma semeadura direta de qualidade, o bom aterramento do sulco é indispensável, pois garante um ambiente adequado às sementes. Neste sentido, é importante estimar a mobilização de solo promovida por uma haste sulcadora estreita durante esta operação. O modelo analítico existente visa representar a mobilização do solo no sistema de plantio convencional. Como consequência, há situações em que este não pode se aplicado, como no caso de hastes sulcadoras estreitas utilizadas em semeadoras de plantio direto. Nestas situações, o mecanismo de falha do solo pode se alterar, assumindo um comportamento não modelado na literatura. Essa pesquisa propõe um modelo fuzzy capaz de representar estas situações, aproveitando conhecimento da teoria de mecânica dos solos e da análise de resultados experimentais. No modelo proposto, parte das regras descrevem situações não abrangidas pelo modelo analítico, as quais foram formuladas a partir da estimativa das prováveis áreas de solo mobilizado. O modelo fuzzy foi testado com dados de experimentos conduzidos durante a pesquisa, em duas condições de granulometria de solo (arenoso e argiloso). O modelo proposto reproduziu as tendências observadas nos dados experimentais, mas superestimou os valores de área observados, sendo esse efeito bem mais intenso para os dados do experimento em solo arenoso. A superestimativa ocorreu devido à soma de diversos fatores. Um deles é a diferença entre as leituras experimentais, as quais consideram apenas o solo realmente movimentado, e a premissa do modelo analítico, que considera toda a área de solo incluindo aquela cisalhada, porém não mobilizada. Outro fator foi devido ao efeito do disco de corte da palha, que pré-cisalha o solo à frente da ferramenta. No ensaio em solo arenoso os valores observados de área de solo mobilizado foram menores que os esperados, intensificando o efeito de superestimativa do modelo fuzzy, sendo que este efeito não representa uma deficiência deste modelo.

First-order transition in a three-dimensional disordered system

We present the first detailed numerical study in three dimensions of a first-order phase transition that remains first order in the presence of quenched disorder (specifically, the ferromagnetic-paramagnetic transition of the site-diluted four states Potts model). A tricritical point, which lies surprisingly near the pure-system limit and is studied by means of finite-size scaling, separates the first-order and second-order parts of the critical line. This investigation has been made possible by a new definition of the disorder average that avoids the diverging-variance probability distributions that plague the standard approach. Entropy, rather than free energy, is the basic object in this approach that exploits a recently introduced microcanonical Monte Carlo method.

Modelagem matemática do processo industrial de coqueamento retardado.

A unidade de coqueamento retardado é um processo térmico de conversão, utilizado pelas refinarias, para converter cargas residuais em produtos de baixo peso molecular e com alto valor agregado (gases, nafta e gasóleo) e coque verde de petróleo. Um pequeno aumento no rendimento líquido da unidade de coqueamento retardado proporciona benefícios económicos consideráveis, especialmente no destilado líquido. A concorrência no mercado, as restrições sobre as especificações do produto e gargalos operacionais exigem um melhor planejamento da produção. Portanto, o desenvolvimento de novas estratégias e modelos matemáticos, focados em melhores condições de operação do processo industrial e formulações de produtos, é essencial para alcançar melhores rendimentos e um acompanhamento mais preciso da qualidade do produto. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de modelo matemático do conjunto forno-reator do processo de coqueamento, a partir de informações obtidas em uma planta industrial. O modelo proposto é baseado na caracterização da carga e dos produtos em pseudocomponentes, modelos cinéticos de grupos e condições de equilíbrio liquido-vapor. Além disso, são discutidos os principais desafios para o desenvolver o modelo matemático do forno e do reator, bem como a caracterização rigorosa do resíduo de vácuo e dos produtos para determinar os parâmetros que afetam a morfologia do coque e a zona de reação no interior do reator de coque.

Simulating spin systems on IANUS, an FPGA-based computer

We describe the hardwired implementation of algorithms for Monte Carlo simulations of a large class of spin models. We have implemented these algorithms as VHDL codes and we have mapped them onto a dedicated processor based on a large FPGA device. The measured performance on one such processor is comparable to O(100) carefully programmed high-end PCs: it turns out to be even better for some selected spin models. We describe here codes that we are currently executing on the IANUS massively parallel FPGA-based system.

First Order Phase Transition in a 3D disordered system

We present a detailed numerical study on the effects of adding quenched impurities to a three dimensional system which in the pure case undergoes a strong first order phase transition (specifically, the ferromagnetic/paramagnetic transition of the site-diluted four states Potts model). We can state that the transition remains first-order in the presence of quenched disorder (a small amount of it) but it turns out to be second order as more impurities are added. A tricritical point, which is studied by means of Finite-Size Scaling, separates the first-order and second-order parts of the critical line. The results were made possible by a new definition of the disorder average that avoids the diverging-variance probability distributions that arise using the standard methodology. We also made use of a recently proposed microcanonical Monte Carlo method in which entropy, instead of free energy, is the basic quantity.

Ion kinetic transport in TJ-II

The ion Drift Kinetic Equation (DKE) which describes the ion coUisional transport is solved for the TJ-II device plasmas. This non-linear equation is computed by peribrming a mean field iterative calculation. In each step of the calculation, a Fokker-Planck equation is solved by means of the Langevin approach: one million particles are followed in a realistic TJ-II magnetic configuration, taking into account collisions and electric field. This allows to avoid the assumptions made in the usual neoclassical approach, namely considering radially narrow particle trajectories, diffusive transport, energy conservation and infinite parallel transport. As a consequence, global features of transport, not present in the customary neoclassical models, appear: non-diffusive transport and asymmetries on the magnetic surfaces.

Phase diagram of a polydisperse soft-spheres model for liquids and colloids

The phase diagram of soft spheres with size dispersion is studied by means of an optimized Monte Carlo algorithm which allows us to equilibrate below the kinetic glass transition for all size distributions. The system ubiquitously undergoes a first-order freezing transition. While for a small size dispersion the frozen phase has a crystalline structure, large density inhomogeneities appear in the highly disperse systems. Studying the interplay between the equilibrium phase diagram and the kinetic glass transition, we argue that the experimentally found terminal polydispersity of colloids is a purely kinetic phenomenon.

Optimized Monte Carlo method for glasses

A new Monte Carlo algorithm is introduced for the simulation of supercooled liquids and glass formers, and tested in two model glasses. The algorithm thermalizes well below the Mode Coupling temperature and outperforms other optimized Monte Carlo methods.

Critical behavior of the specific heat in glass formers

We show numeric evidence that, at low enough temperatures, the potential energy density of a glass-forming liquid fluctuates over length scales much larger than the interaction range. We focus on the behavior of translationally invariant quantities. The growing correlation length is unveiled by studying the finite-size effects. In the thermodynamic limit, the specific heat and the relaxation time diverge as a power law. Both features point towards the existence of a critical point in the metastable supercooled liquid phase.