Otimização e transições de fase na termodinâmica estocástica: de máquinas singulares a efeitos coletivos

• Ano de defesa: 2026
• Autor(a) principal: Silva Filho, Fernando Francisco
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertacoes da USP; Universidade de São Paulo; Instituto de Física
• Palavras-chave em Português: fenômenos de não equilíbrio; termodinâmica; transições de fase; processos estocásticos; máquinas térmicas; phase transitions; non-equilibrium phenomena; thermal engines; thermodynamics; stochastic processes
• Link de acesso: https://teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-08042026-122356/

O rápido progresso da nanotecnologia e de métodos experimentais em áreas como biofísica, química e neurociência tem feito surgir questões fundamentais a respeito da termodinâmica em escalas pequenas. A termodinâmica estocástica fornece uma estrutura teórica para descrever quantidades energéticas fundamentais como trabalho, calor, dissipação e eficiência em sistemas pequenos com flutuações, contribuindo para o entendimento sobre a operação de máquinas térmicas em nanoescalas que são encontradas tanto em configurações artificiais quanto naturais. Esta tese investiga estratégias de otimização de desempenho dessas máquinas pelo ajuste fino de protocolos externos dependentes do tempo, modificando ciclos termodinâmicos e explorando trajetórias raras nas flutuações térmicas em dois modelos representativos na abordagem sequencial (ou colisional): partículas Brownianas e bombas de quantum dots, com cada um interagindo com dois ou mais reservatórios térmicos. Estendendo-se além de sistemas com uma única unidade, introduzimos uma máquina térmica baseada em um conjunto de spins interagentes com quebra espontânea de simetria de dois estados ($Z_2$), exibindo uma fase coletiva (ordenada) e uma fase independente (desordenada) governadas pela intensidade das interações entre os spins e os vieses externos. Este modelo também revela um novo tipo de transição de fase, incluindo expoentes críticos não clássicos no limite do campo médio e pontos distintos de transição de acordo com qual fase inicialmente domina a dinâmica. Juntos, esses estudos avançam o entendimento da otimização de processos de conversão energética em sistemas microscópicos e coletivos. Adicionalmente, exploram novos fenômenos no âmbito das transições de fase fora do equilíbrio.