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Todos los materiales en la naturaleza son de alguna forma magnéticos ya que están constituidos por momentos magnéticos elementales que se acoplan mediante la denominada interacción de intercambio, dando así lugar a un momento magnético neto que por unidad de volumen se denomina magnetización. Todo material está compuesto por átomos y estos a su vez poseen electrones; de modo que, en principio todo material es afectado magnéticamente si se encuentra en presencia de un campo magnético externo, y la respuesta a este estímulo se determinar´a por la intensidad de dicho campo externo [1]. En la actualidad las tendencias del crecimiento tecnológico e industrial radican en el diseño y síntesis de materiales magnéticos, donde muchos de los esfuerzos e investigaciones están encaminados a la fabricación controlada y los métodos de caracterización de sistemas magnéticos. En las últimas décadas se puede apreciar el incremento del estudio, y por ende la extensión, de los llamados materiales nanoestructurados, ya que estos presentan propiedades que son diferentes a las que muestra el material en forma masiva. En el presente trabajo se analizaron mediante simulación Monte Carlo y algoritmo tipo baño térmico las propiedades termomagnéticas de un sistema ferromagnético de momentos magnéticos enteros S = 2 y Q = 1, considerando interacciones a primeros vecinos, segundos vecinos tipo en la red e interacciones con un campo magnético externo h. Donde se analizaron los efectos del parámetro de intercambio J y un campo magnético h sobre las propiedades del sistema mediante los diagramas de fase a temperatura finita de las magnetizaciones, la susceptibilidad magnética, el calor específico y la temperatura crítica. lista de figuras ------------------------------------------------------------------------V lista de tablas ----------------------------------------------------------------------------VII 1. INTRODUCCION -------------------------------------------------------------- 1 2. Modelo de Ising de espines mixtos S = 2 y Q = 1 ---------------------------------------------------------------------------- 5 2.1. Magnetismo Colectivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1. Ferromagnétismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.1.1. Propiedades de materiales ferromagnéticos ---------------------------------------------- 7 2.1.1.2. Interacciones y anisotropías en materiales ferromagnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1.3. Dominios Magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.1.4. Paredes de Bloch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.1.5. Estructura de las paredes de Bloch en materiales ferromagnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 2.1.1.6. Punto y ley de Curie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 2.2. Modelo de Ising . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.1. Modelo de Ising en dos dimensiones . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3. Modelo de espines mixtos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.4. Transiciones de Fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3. Análisis de resultados: Parte I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1. Hamiltoniano de interacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2. Efectos de los parámetros h y J2 sobre la magnetización del modelo . . . . . . 21 3.2.1. Efecto del campo magnético h sobre MT , MQ y MS . . . . . . . . . . . . 21 3.3. Efecto de la interacción de intercambio J2 sobre MT , MQ y MS . . . . . . . 23 3.4. Análisis de resultados: Parte II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.4.1. Efectos del campo magnético h sobre la susceptibilidad χT . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.5. Influencia de la interacción de intercambio J2 sobre la susceptibilidad χT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.6. Efectos del campo magnético h y J2 sobre el calor específico Cv . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.7. Efectos del campo magnético h sobre la temperatura crítica Tc . . . . . . . . 29 3.8. Efectos de la interacción de intercambio J2 sobre la temperatura crítica Tc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 A. Modelo de Ising en una dimensión: solución exacta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 B. Simulación Computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 C. Métodos Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 C.1. Muestreo directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 C.2. Muestreo de importancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 D. Descripción del algoritmo para modelos de Ising mixtos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 D.1. Algoritmo tipo baño térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Pregrado Físico(a) Trabajos de Investigación y/o Extensión

This work was developed through computational simulations based on a Monte Carlo method, under the implementation of a heat bath algorithm, for the studyof the thermomagnetic properties of a ferromagnetic mixed Ising model, which is constituted by a bipartite square lattice of sublattices A and B, where spins S = ±3/2, ±1/2 alternate with spins σ = ±5/2, ±3/2, ±1/2. The Hamiltonian of the system contains a ferromagnetic interaction to first neighbors and an external ongitudinal magnetic field. We calculate the dependence of the total magnetization, the sublattice magnetizations, the energy, the magnetic susceptibility and the hysteresis loops with the magnetic field at a fixed temperature. We find that the critical temperature of the system decreases for h < 0 and increases for h > 0. We also find that the hysteresis loops in this (3/2-5/2) mixed-spin ferromagnetic system exhibit no coercive magnetic field, and in some cases the magnitude of the magnetic remanence is not far from the saturation value. 1. INTRODUCCIÓN................................................................................................................................................................4 2. FENÓMENOS CRÍTICOS DE UN MODELO FERROMAGNÉTICO TIPO ISING........................... 7 2.1. Fenómenos críticos magnéticos .......................................................................................................................7 2.1.1. Transiciones de fase ...............................................................................................................................................7 2.1.2. Transiciones de fase de primer orden ..................................................................................................... 8 2.1.3. Transiciones de fase de segundo orden .................................................................................................. 8 2.2. Modelo de Ising ............................................................................................................................................................9 2.2.1. Modelo de Ising Bidimensional ................................................................................................................... 10 2.3. Estados base de un sistema magnético.......................................................................................................11 2.4. Lazos de histéresis en un material ferromagnético ............................................................................ 12 2.4.1. Coercitividad Magnética..................................................................................................................................... 14 2.4.2. Remanencia Magnética.................................................................................................................................. 14 2.5. Materiales magnéticamente blandos y magnéticamente duros............................................14 2.5.1. Materiales magnéticamente blandos.................................................................................................... 15 2.5.2. Materiales magnéticamente duros ......................................................................................................... 15 2.6. Condiciones de borde periódicas ................................................................................................................. 15 2.7. Método Monte Carlo ............................................................................................................................................. 16 3. RESULTADOS Y ANÁLISIS.......................................................................................................................................... 18 3.1. Hamiltoniano de interacción ............................................................................................................................. 18 3.2. Variables termomagnéticas del modelo ...................................................................................................19 3.3. Estados base del sistema .................................................................................................................................... 19 3.4. Efectos del campo magnético externo h sobre las variables termomagnéticas ........... 21 3.4.1. Efecto de h sobre la energía (E) .................................................................................................................... 21 3.4.2. Efecto de h sobre las magnetizaciones: (MS,Mσ,MT ) ....................................................................22 3.4.3. Efecto de h sobre la susceptibilidad magnética (χT ) ..................................................................25 3.5. Efectos de la temperatura (T) sobre las variables termomagnéticas.................................... 26 3.5.1. Efectos de (T) sobre las magnetizaciones: (MS,Mσ,MT )...................................................................26 3.5.2. Efecto de (T) sobre la susceptibilidad χT .................................................................................................28 3.6. Efectos del campo magnético (h) sobre la temperatura crítica (Tc)......................................... 29 3.7. Comportamiento de histéresis del modelo ............................................................................................ 30 4. Conclusiones......................................................................................................................................................................35 A. Descripción del método Monte Carlo................................................................................................................ 37 A.1. Muestreo directo .........................................................................................................................................................38 A.2. Muestreo de importancia ................................................................................................................................... 38 A.3. Descripción del algoritmo para modelos de Ising mixtos ............................................................. 39 A.3.1. Algoritmo tipo baño térmico ............................................................................................................................40 Este trabajo se desarrolló a través de simulaciones computacionales basadas en un método Monte Carlo, bajo la implementación de un algoritmo baño térmico, para el estudio de las propiedades termomagnéticas de un modelo de Ising mixto ferromagnético, el cual está constituido por una red cuadrada bipartita de subredes A y B, donde espines S = ±3/2, ±1/2 se alternan con los espines σ = ±5/2, ±3/2, ±1/2. El Hamiltoniano del sistema contiene una interacción ferromagnética a primeros vecinos y un campo magnético longitudinal externo; calculamos la dependencia de la magnetización total, las magnetizaciones de las subredes, la energía, la susceptibilidad magnética y los lazos de histéresis con el campo magnético a temperatura fija. Hallamos que la temperatura crítica del sistema decrece para h < 0 y se incrementa para h > 0, también encontramos que los lazos de histéresis en este sistema ferromagnético de espines mixtos (3/2-5/2), exhiben campo magnético coercitivo, y en algunos casos la magnitud de la remanencia magnética se aproxima al valor de saturación. Pregrado Físico(a) Monografías

The motivation of this thesis is to understand the ferromagnetic properties of LaCoO3 strained films. For this purpose, we will make use of Monte Carlo simulations, as well as an Extended Ising model directly derived from microscopic theory. Firstly, the most important features of our Heat Bath algorithm and the data analysis techniques employed for the correct treatment of correlated data will be presented. Then, starting from the simplest models, we will perform numerical simulations using a Julia environment to study the macroscopic quantities of our systems and benchmark them with the theoretical expressions. In order to interpret the outcome of the simulations for our Extended Ising model, we will develop a mathematical model based on the mean field theory that reproduces the physical behaviour of the system. Furthermore, based on our results, we will discuss that an additional 3D interaction term is required to obtain a net polarization in both two and three-dimensional structures, and we will postulate the 4s interaction as the origin of ferromagnetism in LaCoO3 films. La motivación de esta tesis es comprender las propiedades ferromagnéticas del LaCoO3 en películas tensas. Para ello, haremos uso de simulaciones Monte Carlo, así como un modelo de Ising extendido directamente derivado de la teoría microscópica. En primer lugar, se presentarán las características más importantes de nuestro algoritmo Heat Bath y las técnicas empleadas para el correcto tratamiento de los datos correlacionados. Luego, partiendo de los modelos más simples, realizaremos simulaciones numéricas usando un entorno de Julia para estudiar las cantidades macroscópicas de nuestros sistemas y compararlas con las expresiones teóricas. Para interpretar el resultado de las simulaciones en nuestro modelo de Ising extendido, desarrollaremos un modelo matemático basado en la teoría del campo medio que reproduce el comportamiento físico del sistema. Además, en base a nuestros resultados, discutiremos que se requiere una interacción 3D adicional para obtener una polarización neta en las estructuras tanto en dos como en tres dimensiones y postularemos la interacción 4s como el origen del ferromagnetismo en películas de LaCoO3. La motivació d'aquesta tesi és entendre les propietats ferromagnètiques del LaCoO3 en pel·lícules tenses. Per a això, farem ús de les simulacions de Monte Carlo, així com un model de Ising estès derivat directament de la teoria microscòpica. En primer lloc, es presentaran les característiques més importants del nostre algorisme de Heat Bath i les tècniques emprades per al correcte tractament de les dades correlacionades. Després, partint dels models més senzills, realitzarem simulacions numèriques utilitzant un entorn de Julia per estudiar les magnituds macroscòpiques dels nostres sistemes i compara'ls amb les expressions teòriques. Per interpretar el resultat de les simulacions per al nostre model Ising estès, desenvoluparem un model matemàtic basat en la teoria del camp mitjà que reprodueix el comportament físic del sistema. A més, a partir dels nostres resultats, discutirem que es requereix un terme de interacció 3D addicional per obtenir una polarització neta en estructures tant en dos com en tres dimensions, i postularem la interacció 4s com l'origen del ferromagnetisme a les pel·lícules LaCoO3.

Trabajo de fin de Grado. Grado en Física. Curso académico 2021-2022., [ES]El modelo de Ising es un modelo físico el cual reproduce el comportamiento de materiales ferromagnéticos. Es un modelo que ha sido ampliamente estudiado en las últimas décadas, y es de gran uso en física estadística por su sencillez y por la característica fenomenología que posee. El modelo de Ising consiste en la representación de un imán a partir de un conjunto de spines, los cuales solamente tienen dos orientaciones posibles: estarán orientados bien hacia arriba o hacia abajo. A lo largo de este trabajo, se estudiará el modelo de Ising bidimensional, tratando con un modelo de red cuadrada, y en ausencia de campo magnético externo. Estas condiciones hacen que el modelo posea una fenomenología característica, que se manifiesta en la existencia de una transición de fase en la conocida como temperatura crítica, Tc . De este modo, el sistema, que es ferromagnético por debajo de la temperatura crítica, pasa a una fase paramagnética una vez se ha superado dicha temperatura, lo que hace que el estudio de sus propiedades en torno a Tc sea de especial interés. Para realizar el estudio del mencionado modelo de Ising se hará uso de técnicas de simulación Montecarlo, empleando dos algoritmos diferentes, ambos bien conocidos. El primero de ellos es el algoritmo de Metropolis, basado en realizar cambios simples sobre el sistema, ya que las variaciones sobre el sistema que se estudian solamente implican el cambio de orientación de un spin cada vez. Se propondrá dar la vuelta a un spin elegido de manera aleatoria, lo que sucederá con una probabilidad concreta, que dependerá de diversos factores como la temperatura a la que se encuentre el sistema o si el cambio en la orientación del spin supone un aumento o una disminución sobre la energía total del sistema. El otro algoritmo que se empleará en el trabajo es el conocido como algoritmo de Wolff. En este caso, el algoritmo se basa en construir un cluster, o grupo de spines juntos que tienen una misma orientación, y darle la vuelta por completo, de modo que cambie la orientación de todos los spines que lo conforman. El tamaño de los clusters tendrá una gran dependencia con la temperatura del sistema, de modo que para bajas temperaturas, un cluster podrá contener una gran cantidad de spines, mientras que a altas temperaturas los clusters podrán estar formados por un reducido número de spines, De este modo, se construyen y optimizan los programas asociados a los dos algoritmos men cionados anteriormente, de modo que se miden magnitudes características del modelo de Ising como es el caso de la energía, la magnetización, el calor específico o la susceptibilidad magnéti ca, y se analiza como varían en función del tamaño del sistema o de la temperatura del mismo. También se lleva a cabo un estudio para cuantificar los tiempos de correlación asociados a ambos algoritmos, así como para medir los errores asociados a las medidas tomadas, que pueden calcu larse de diferentes maneras según el caso. También se analizará el tiempo de ejecución total de los programas utilizados. Esto permitirá determinar qué algoritmo utilizar en función del tamaño del sistema o del intervalo de temperatura en el que nos interese realizar un estudio., [EN]Ising model is a physical model which reproduces the behaviour of ferromagnetic materials. It is a model that has been deeply studied in the last decades, and it is widely used in statistical physics because of its simplicity and its characteristic phenomenology. Ising model consists of the representation of a magnet from a set of spins, which have only two possible orientations: they will be oriented either up or down. Throughout this work, the two-dimensional Ising model will be studied, dealing with a squa re lattice model, and in absence of an external magnetic field. These conditions make the mo del to possess a characteristic phenomenology, which manifests itself in the existence of a phase transition at the critical temperature, Tc . Thus, the system, which is ferromagnetic below the cri tical temperature, changes to a paramagnetic phase once this temperature has been overcome, which makes the study of its properties around Tc of special interest. In order to study the Ising model, Monte Carlo simulation techniques will be used, employing two different algorithms, both of which are well known. The first of these is the Metropolis algo rithm, based on making simple changes to the system, since the variations on the system being studied only involve changing the orientation of one spin at a time. A randomly chosen spin will be proposed to be flipped, which will happen with a specific probability, depending on various factors such as the temperature at which the system is located or whether the change in spin orientation involves an increase or a decrease in the total energy of the system. The other algorithm that will be used in this work is known as Wolff algorithm. In this case, the algorithm is based on building a cluster, or group of spins that have the same orientation, and turning it completely around, so that the orientation of every spin in it changes. The size of the clusters will have a strong dependence on the temperature of the system, so that at low temperatures, a cluster may contain a big number of spins, while at high temperatures the clusters may consist of a small number of spins. In this way, the programmes associated with the two mentioned algorithms are constructed and optimised, so that characteristic magnitudes of the Ising model are measured, such as energy, magnetisation, specific heat or magnetic susceptibility, and it is analysed how they vary as a fun ction of the size of the system or its temperature. A study is also carried out to quantify the corre lation times associated with both algorithms, as well as to measure the errors associated with the measurements taken, which can be calculated in different ways depending on the case. The total execution time of the programs used will also be analysed. This will allow us to determine which algorithm to use depending on the size of the system or the temperature range in which we are interested in carrying out a study

Trabajo de fin de Grado. Grado en Física. Curso académico 2021-2022., [ES]El modelo de ising es un modelo muy estudiado en física estadística. El objetivo de este trabajo es estudiar, mediante simulación monte carlo, las propiedades de la interfase que separa las dos fases en un modelo de ising bi-y tridimensional, con especial énfasis en cómo influyen las condiciones de la simulación: condiciones de contorno, tamaño, etc. El método es elaborar una simulación monte carlo de un ising bi-y tridimensional y emplearla para realizar simulaciones con distintas condiciones, midiendo perfiles transversales, anchura de la interfase, etc., [EN]The ising model is a very studied model in statistical physics. The aim of this work is to study, using a monte-carlo simulation, the properties of the in terface separating both phases in a two- and three-dimensional ising model, with special emphasis in how simulation conditions affect: boundary condi tions, size, etc. The method is to elaborate a monte-carlo simulation of a two- and three-dimensional ising and employ it to perform simulations with different conditions, measuring cross-sections, interface width, etc

Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Instituto de Física, Programa de Pós-Graduação em Física, 2022. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). O estudo da distribuição de riqueza é um tema antigo, porém, longe de ter uma resposta exata. Alguns trabalhos buscam descrever por algoritmos matemáticos o processo em que se gera as distribuições de riqueza, e discutir se essas são inevitamente desiguais. Este trabalho busca estudar como a redistribuição de riqueza pode ser compreendida dentro de um sistema econômico como uma transição de fase. Assim como nos modelos conhecidos para estudar essas transições, mudanças nas variáveis macroscópicas tendem a causar alterações nas estruturas desses sistemas. Seria então a distribuição desigual de riqueza um fato inevitável, ou consequência de algum processo estrutural? Os modelos que buscam estudar o processo de distribuição de riqueza, apresentam resultados coerentes com a realidade das economias? Nos apoiaremos em processos matemáticos conhecidos, e em teorias sobre o surgimento das desigualdades, para buscar alguma resposta para esse assunto. The study of the wealth distribution is an old topic, however, far from an exact answer. Some works seek to describe the process in which wealth distributions are generated using mathematical algorithms, and to discuss whether these are inevitably unequal. This work seeks to study how the redistribution of wealth can be understood within an economic system as a phase transition. As in the known models to study these transitions, changes in macroscopic variables tend to cause alterations in the structures of these systems. Is the unequal distribution of wealth, then, an inevitable fact or a consequence of some structural process? Do the models that seek to study the wealth distribution process, successfully present results that are consistent with the reality of economies? We will rely on known mathematical processes and theories about the emergence of inequalities, trying to find some answer to this issue.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This thesis is devoted to the study of systems presenting continuous quantum phase transitions subject to a thermodynamic work protocol. Particularly, we investigated how quantum coherences created by a sudden change in the system Hamiltonian can be quantified and their relation to its critical behavior. Therefore, the results here presented lie within the scope of quantum thermodynamics. The effects of quantum criticality in work protocols have been considerably investigated in recent years. Still, little or nothing was known about the role of quantum coherences. To grasp this, we examined two splittings of entropy production into a classical and quantum parts, the latter related to quantum coherences. The first splitting have been used in several contexts and maintains an intimate connection with the resource theory of thermodynamics. However, employing it to a quantum Ising model driven out of equilibrium by a sudden quench, we verified some shortcomings: namely, counter-intuitive and immutable behavior at low temperatures and unexpected nonanalyticities unrelated to critical phenomena. This inspired us to introduce a new and complementary separation to the entropy produced following a work protocol. A surprising and intriguing property of these splittings when applied to critical systems is the fact that they exhibit signatures of the critical point independently of the system initial temperature. In the new splitting we are capable of explaining this as a consequence of their close relation to the derivatives of the energy spectrum. Esta tese dedica-se ao estudo de sistemas que apresentam transições de fase quânticas contínuas sujeitos a um protocolo termodinâmico de trabalho. Particularmente, investigamos como as coerências quânticas criadas por uma perturbação repentina na Hamiltoniana do sistema podem ser quantificadas e sua relação com o comportamento crítico. Portanto, os resultados aqui apresentados residem no âmbito da termodinâmica quântica. Os efeitos da criticalidade quântica em protocolos de trabalho têm sido consideravelmente investigados nos últimos anos. Ainda assim, pouco ou nada se sabia sobre o papel das coerências quânticas. Para entender isso, examinamos duas divisões da produção de entropia em uma parte clássica e outra quântica, a última relacionada às coerências quânticas. A primeira divisão já foi usada em vários contextos e mantém uma conexão íntima com a teoria de recursos da termodinâmica. No entanto, aplicando-o a um modelo de Ising quântico submetido a uma perturbação repentina, verificamos algumas deficiências: a saber, um comportamento contraintuitivo e imutável em baixas temperaturas e não analiticidades inesperadas não relacionadas a fenômenos críticos. Isso nos motivou a introduzir uma nova e complementar separação para entropia produzida seguindo um protocolo de trabalho. Uma propriedade surpreendente e intrigante dessas divisões quando aplicadas a sistemas críticos é o fato de exibirem assinaturas do ponto crítico independentemente da temperatura inicial do sistema. Na nova divisão, podemos explicar isso como uma consequência de sua estreita relação com as derivadas do espectro de energia.

Orientador: Marcus Vinicius Segantini Bonança Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Nas últimas décadas, tecnologias recém-desenvolvidas possibilitaram a manipulação de sistemas físicos em nanoescala com acurácia sem precedentes. Tais sistemas são pequenos o suficiente a ponto de necessitarem descrições quântico-mecânicas de suas características estáticas e dinâmicas. Frequentemente, os procedimentos de manipulação citados naturalmente levam o sistema para fora do equilíbrio com protocolos a tempo finito, apresentando situações de complexidade consideravelmente maiores quando comparada a cenários de equilíbrio. Como consequência destes desenvolvimentos experimentais, muitas técnicas teóricas foram propostas para controlar tais sistemas pequenos e alcançar objetivos específicos. A presente tese se alinha com as tentativas recentes de avançar o entendimento de fenômenos quânticos surgindo de processos fora do equilíbrio. Nós elaboramos uma abordagem geral para o tratamento de sistemas quânticos termicamente isolados, que evoluem sob dinâmica unitária. Para melhor compreensão das propriedades físicas, nós empregamos teorias perturbativas, a saber, a teoria de perturbação adiabática e a teoria de resposta linear, de modo a obter resultados independentes de sistema. A primeira destas duas teorias é adequada para a investigação de processos de variação lenta, enquanto que a segunda é projetada para a análise de processos de variação fraca. As características de manipulação a tempo finito que estudamos aqui incluem: o custo energético da manipulação, quantificada em trabalho excedente dado ao sistema; a capacidade do sistema seguir seus estados adiabáticos a tempo finito, reproduzindo os estados de uma evolução infinitamente lenta; e a possibilidade de acompanhar a equação de estado termodinâmica do sistema em processos fora do equilíbrio. Todos estes aspectos são exemplificados usando a cadeia Ising quântica, um sistema com aplicações experimentais atualmente relevantes Abstract: In the last decades, newly-developed technologies have enabled the manipulation of nanoscale physical systems with unprecedented accuracy. Such systems are small enough to the point of requiring quantum mechanical descriptions of its static and dynamic features. Frequently, the aforementioned manipulation procedures naturally take the system out of equilibrium with finite-time protocols, presenting situations of considerably higher complexity when compared to equilibrium scenarios. As a consequence of these experimental developments, many theoretical techniques have been proposed to control such small systems and achieve specific goals. The present thesis aligns with the recent effort to advance the understanding of quantum phenomena arising from non-equilibrium processes. We elaborate a general framework for the treatment of thermally isolated quantum systems, which evolve under unitary dynamics. For deeper insight of the physical properties, we employ perturbative theories, namely, adiabatic perturbation theory and linear response theory, in order to obtain system-independent results. The first of these two theories is suited for investigating slowly varying processes, while the second is designed towards the analysis of weakly varying processes. The characteristics of finite-time manipulation we study here include: the energetic cost of the manipulation, quantified in the excess work given to the system; the capacity of the system to follow its adiabatic states in finite time, reproducing the states of infinitely slow evolutions; and the possibility of tracking the system’s thermodynamic equation of state in non-equilibrium processes. All of these aspects are exemplified using the quantum Ising chain, a system with currently-relevant experimental applications Doutorado Física Doutor em Ciências CNPQ 140549/2018-8 Funcamp 2146-22