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

Seminário do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, por Sean Raymond (Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux, CNRS, France).

Estudante

Neste encontro, será debatido o estigma da doença mental, a importância da prevenção e debater o papel da Inteligência Artificial na sua promoção - elementos-chave para uma comunidade académica mais saudável e uma sociedade mais equilibrada.

Logótipo da AEFCL

Um momento que simboliza o compromisso contínuo da AEFCL na defesa dos direitos e interesses dos estudantes e na promoção das melhores condições académicas e associativas na Faculdade de Ciências.

Seminário da Unidade Curricular de Neurociências e Neuromodelação, por Francisco Oliveira (Nuclear Medicine-Radiopharmacology, Champalimaud Foundation).

TWIN2PIPSA Expert Seminar, por Pietro Sormanni (Yusuf Hamied Department of Chemistry, University of Cambridge, UK).

Iconografia relacionada com a temática do curso

O curso fornece uma exploração aprofundada de isótopos estáveis como uma ferramenta valiosa em Ecologia, usando assinaturas isotópicas para rastrear processos ecológicos e revelando insights sobre o ciclo de nutrientes e água, interações de espécies e condições ambientais em diversos ecossistemas e comunidades - candidaturas até 17 de outubro.

Composição de três imagens relativas à área da deteção remota

Este curso visa dar formação na área de Deteção Remota, abrangendo desde a Observação da Terra pelos satélites até à utilização de Drones - candidaturas até 02 de novembro.

Paleontologia - jovem a examinar fóssil

O curso abordará o vasto registo fóssil de dinossáurios de Portugal, explorando os resultados das mais recentes investigações científicas, bem como a história da investigação paleontológica no nosso país, desde o século XIX até à atualidade. Será também destacada a importância da proteção e valorização do Património Paleontológico nacional.

Fábrica

O evento pretende reunir investigadores que trabalhem sobre temas ligados à indústria e sobre património técnico e industrial, para uma reflexão prospetiva sobre o património industrial e atuais vias de colaboração no seu estudo, salvaguarda e preservação.

Fotografia do mar e parque eólico

O curso propõe uma imersão nos princípios, desafios e oportunidades da Economia Azul, explorando o papel crucial dos oceanos nas transições ecológica e climática - candidaturas até 13 de novembro.

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O evento propõe um debate aberto sobre a linguagem inclusiva, reconhecendo-a como uma dimensão essencial da equidade e da participação plena de toda a comunidade académica.

Título "Turin Staff Week 2025", sobre fotografia da cidade de Turim

Uma oportunidade única para desenvolver competências, criar redes internacionais e conhecer de perto uma das instituições parceiras da aliança Unite! - inscrições até 21 de setembro.

Logótipo da Semana da Ciência e da Tecnologia 2025

Na Semana da Ciência e da Tecnologia, entre 24 e 30 de novembro 2025, a ciência será novamente a grande protagonista.

Workshop no âmbito do Programa de Saúde e Bem-Estar da ULisboa.

Quatro investigadores num laboratório

O curso visa capacitar investigadores, docentes e técnicos para integrar os princípios da economia circular em ambientes laboratoriais académicos - candidaturas até 22 de novembro.

Vista aérea de povoação

A conferência é subordinada ao tema “People and Planet: How the Environment Shapes Human Health”.

Três investigadores num laboratório

O curso visa capacitar profissionais para aplicar os princípios da economia circular em ambientes laboratoriais industriais, promovendo práticas sustentáveis e eficientes - candidaturas até 22 de novembro.

Título "Gostarias de realizar uma mobilidade Erasmus+?" e fotografia de estudante

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Logótipo C-Academy

O curso proporciona uma visão aprofundada das tecnologias que suportam o desenvolvimento e integração de aplicações web - candidaturas até 10 de novembro.

Logótipo C-Academy

O curso fornece uma compreensão abrangente dos princípios e práticas fundamentais da cibersegurança e da privacidade, com aplicação tanto em contextos genéricos como em sistemas críticos - candidaturas até 07 de novembro.

Cesto com legumes

O curso tem como principal objetivo capacitar para a implementação e gestão sustentável de espaços de cultivo nas cidades, promovendo a segurança alimentar e a autonomia na produção de alimentos - candidaturas até 02 de novembro.

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