Seminário

Thermodynamics of spin vector models from the joint density of states

Sala 1.4.14, Ciências ULisboa

Por João Amaral (Department of Physics and CICECO, University of Aveiro, Portugal).

Spin vector models can provide valuable insight into the properties of various families of magnetic materials. Nevertheless, even the conceptually simple Ising spin ½ model (in 2D and 3D) presents challenges on the estimate of measurable thermodynamic properties, such as applied magnetic field H and temperature T-dependent magnetization and specific heat. To confidently compare computer simulations of a given spin vector lattice model to experimental data, approaching the thermodynamic limit is typically desired. Finite size effects will always have an impact on the simulated properties, promoting the development of efficient computational approaches, such as Monte Carlo methods [1]. Metropolis sampling is known to suffer from critical slowing down near the critical point, affecting simulations at or near the critical point, such as the magnetocaloric effect (MCE). The MCE has practical relevance in applications, such as magnetic refrigeration and thermal energy harvesting. High-performance MCE materials present first-order magnetic transitions (FOMPT), resulting from coupled magnetization and structure [2]. To study these materials from a spin vector model approach, it is required to go beyond the Ising model. In this work, I explore the estimate of thermodynamic properties of spin vector models, starting with the standard spin ½ 2D Ising model, via the Joint Density of States (JDOS). The JDOS is a H and T-independent quantity, allowing the estimate of detailed H and T-dependent thermodynamic properties, avoiding critical slowing down. This methodology is also well-suited to study a magneto-volume coupled Ising-like model, for describing a FOMPT. Still, obtaining an accurate estimate of the JDOS is a challenge. I will discuss and compare two approaches, namely the Wang-Landau [3] and Flat Scan Sampling (FSS) [4] methods, combined with the N-fold way bookkeeping approach of Bortz et al. [5]. As examples of these approaches, a magneto-volume coupled Ising-like model is shown to agree with the magnetic and caloric properties of FOMPT systems simulated by mean-field models such as the Landau Theory of phase transitions and the Bean-Rodbell expansion of the Weiss molecular field model [6]. Exploring the free-energy landscape of this model has also given insight into the phase transition kinetics of FOMPT La(Fe,Si)13 refrigerants [7]. Thermodynamic estimates of the spin 7/2 3D Ising model have also provided an accurate estimate and quantitative validation to the recently explored demagnetizing field induced rotating MCE [8].

  • [1] D. P. Landau and K. Binder, “A guide to Monte Carlo Simulations in Statistical Physics”, 2nd ed. Cambridge Press (2000)
  • [2] V. K. Pecharsky and K. A. Gschneidner Jr., “Giant Magnetocaloric Effect in Gd5Si2Ge2”, Phys. Rev. Lett. 78 4494 (1997)
  • [3] F. Wang and D. P. Landu, “Efficient, Multiple-Range Random Walk Algorithm to Calculate the Density of States”, Phys. Rev. Lett. 86 2050 (2000)
  • [4] J. C. Inácio et al., “Accurate Estimate of the Joint Density of States via Flat Scan Sampling”, arXiv:2203.02718 (2022)
  • [5] A. B. Bortz et al., “A new algorithm for Monte Carlo simulation of Ising spin systems”, J. Comp. Phys. 17 10 (1975)
  • [6] J. S. Amaral and V. S. Amaral, “Simulating the giant magnetocaloric effect – from mean-field theory to microscopic models”, Frontiers in Materials 1037396 (2023)
  • [7] A. A. Beleza et al., “Structural dynamics of first-order phase transition in giant magnetocaloric La(Fe,Si)13: The free energy landscape”, Mat. Today Phys. 42 101388 (2024)
  • [8] R. Almeida et al., “Rotating magnetocaloric effect in polycrystals - harnessing the demagnetizing effect”, J. Phys. Energy 6 015020 (2024)
14h00-15h00
CFTC - Centro de Física Teórica e Computacional
“Coroa de Flores” cósmica

Seminário do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, por Federica Loiacono (INAF OAS Bologna, Italy).

Logótipo do LIP Summer Internship Program

Um programa destinado a estudantes de Física e Engenharia com interesse em investigação científica e tecnológica, com candidaturas até 15 de maio (nova data).

Seminário de Análise e Equações Diferenciais, por João Pedro Ramos (Instituto Nacional de Matemática Pura e Aplicada).

Título/data/local do evento

No Dia Nacional dos Cientistas, o conhecimento não risca fronteiras.

O Museu Nacional de História Natural e da Ciência da Universidade de Lisboa celebra a Noite Europeia dos Museus (17 de maio) e o Dia Internacional dos Museus (18 de maio). Nestes dias, os Museus abrem as portas e convidam os cidadãos a conhecer os seus acervos, coleções, exposições e atividades.

Seminário do Centro de Física Teórica e Computacional, por João Amaral (Department of Physics and CICECO, University of Aveiro, Portugal).

Bodião-limpador "em ação"

Seminário Doutoral II (Doutoramento em Biologia), por Beatriz Palinhos Pereira.

Seminário de Análise e Equações Diferenciais, por Wladimir Neves (Universidade Federal do Rio de Janeiro).

Seminário de Lógica Matemática, por Joaquim Waddington (UERJ/UCL).

Título/data/local do evento, logótipos das entidades organizadoras e fotografia de peixe

The event aims to facilitate the exchange of information and knowledge among professionals to advance the understanding, collaboration and capabilities of aquaculture to respond to the impact of climate change in a rapidly changing global environment.

Composição do logótipo da ULisboa e de representação do rosto humano à base de relógios

22 de maio - dois dos doze finalistas da competição são alunos de CIÊNCIAS.

Seminário de Análise e Equações Diferenciais, por Itamar Oliveira (University of Birmingham).

Pintura abstrata azul e rosa

Seminário de Análise e Equações Diferenciais, por Leonid Berlyand (Penn State University).

Technovation Girls Challenge Portugal - Final

Ciências acolhe o evento final do Programa Technovation Girls Challenge Portugal.

Seminário do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, por Pier-Stefano Corasaniti (Observatoire de Paris-Meudon, France).

Um programa estruturado que combina discussões em grupo, exploração de carreira e workshops informativos, com inscrições até 23 de maio.

Logótipo do EVM 2025

Candidaturas até 28 de maio.

Uma oportunidade para fortalecer a cultura de segurança e bem-estar em CIÊNCIAS.

Seminário no âmbito do Doutoramento em Biologia e Ecologia das Alterações Globais, por Pierina Jocelyn Mendoza Yengle.

Uma oportunidade única para interagir com a comunidade global de computação científica.

Logótipo Moodle

Ação de formação para docentes e investigadores de CIÊNCIAS.

Luís Saraiva (Ciências ULisboa) é o coordenador nacional do evento.

Logótipo Mentimeter

Ação de formação para docentes e investigadores de CIÊNCIAS.

Título/data/local do evento e iconografia representativa de energias renováveis

Inscrições até 16 de maio! Junta-te a esta revolução energética e faz a diferença!

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