Experimentos y modelos en sistemas que presentan transiciones de fase de primer orden con dinámica de avalanchas

Abstract

[spa] En esta tesis se han estudiado algunos aspectos de sistemas que presentan transiciones de fase. Para ello se ha empleado tanto un enfoque experimental como teórico. En particular, se han investigado algunas transiciones de fase de primer orden que tienen lugar con una dinámica de avalanchas. Tal dinámica se observa en numerosas transiciones de fase (efecto Barkhausen en sistemas magnéticos o transición martensítica en sólidos) en que los efectos de las fluctuaciones térmicas no son muy importantes. La tesis se estructura básicamente en tres partes. La primera (capítulos 1 y 2) es una introducción a diversos aspectos generales que son importantes para el resto de la tesis. En el capítulo 1 se hace una introducción general de las transiciones de fase más comunes y también de aquellas en que los efectos del desorden presente son importantes. Esto lleva de forma natural a la definición del concepto de avalancha. Dentro de este mismo capítulo se dedica un apartado a conceptos generales de la transición martensítica ya que es una de las transiciones que se ha estudiado experimentalmente en esta tesis. El capítulo 2 introduce algunos conceptos fundamentales sobre el comportamiento de los sistemas que se encuentran cerca de una transición de fase de segundo orden. En dicho capítulo se introduce el Grupo de Renormalización y los métodos de escalado de tamaño finito que son importantes para analizar los resultados de nuestras simulaciones numéricas. En la segunda parte (capítulos 3-5) se presentan los resultados teóricos de la tesis. En primer lugar, en el capítulo 3 se estudia el efecto de las fluctuaciones térmicas en las transiciones de primer orden y se establece en qué condiciones se puede considerar que las fluctuaciones no son relevantes en la transición (transiciones atérmicas). En los dos capítulos siguientes (capítulos 4 y 5) se presenta un análisis extenso de las propiedades de las avalanchas observadas en el modelo de Ising con campos aleatorios en condiciones atérmicas. En la tercera parte de la tesis (capítulos 6-10) se estudian diversos aspectos relacionados con la cinética de las transiciones estructurales en estado sólido (básicamente la transición martensítica en aleaciones con memoria de forma). Antes de presentar los resultados experimentales propiamente dichos, en el capítulo 6 se describen las técnicas experimentales utilizadas, haciendo especial hincapié en la emisión acústica ya que ésta es la técnica que más se ha utilizado en nuestro caso para caracterizar las transiciones estructurales. Tras esta descripción introductoria, en el capítulo 7 se analiza, sobre la base de los modelos propuestos en el capítulo 3, el efecto de las fluctuaciones térmicas en la transición martensítica en aleaciones con memoria de forma. En el capítulo siguiente se estudia el efecto del ciclado térmico en la transición martensítica en el mismo tipo de aleaciones. En el capítulo 9 se analiza cuál es el efecto del ritmo al que se inducen las transiciones de fase de primer orden sobre las avalanchas que se observan. En este mismo capítulo se analiza también el efecto que tienen las fluctuaciones térmicas sobre dichas avalanchas. Finalmente, en el capítulo 10, se presentan los resultados de un estudio sobre la cinética de las transiciones martensítica y premartensítica que se observan en aleaciones de Ni-Mn-Ga. Como conclusión general de la tesis, podríamos decir que los resultados obtenidos han aclarado algunos aspectos de las transiciones de fase de primer orden y han permitido entender algunas propiedades de dichas transiciones con mayor profundidad.

[eng] OF THE THESIS This thesis have been devoted to study some aspects of systems exhibiting phase transitions. In particular, we have focused our analysis on those systems in which the transition involves an avalanche dynamics (some magnitudes evolve in a discontinuous way during the phase transition). Such a dynamics has been observed to occur in several phase transitions (Barkhausen effect in magnetic systems or martensitic transition in solids) in which thermal fluctuations does not play a relevant role. The analyzed issues in this thesis can be classified into two groups: study of the kinetics of structural phase transitions (mainly martensitic transition in shape memory alloys) and analysis of first-order phase transitions in disordered systems. Concerning the study of the structural phase transitions, we have analyzed (i) the effect of thermal fluctuations, (ii) the effect of thermal cycling, and (iii) the driving rate effects on the observed avalanches. Our results indicate that (i) thermally activated effects are difficult to observe under certain conditions, (ii) thermal cycling induces a learning process towards a reproducible behaviour, and (iii) the exponents characterizing the power-law distributions in first-order phase transitions show a non-monotonous dependence with the driving rate. Concerning the study of disordered systems, we have analysed in a detailed way the behaviour of the random field Ising model obeying a metastable dynamics (athermal and adiabatic) when an external applied field changes. We have performed numerical simulations to study the model and the obtained data have been analysed in terms of sophisticated finite-size scaling hypothesis. The studied model shows a disorder-induced continuous phase transition on the metastable phase diagram. Our study has allowed for a better understanding of several aspects of this model as, for example, the geometrical properties of the avalanches in the thermodynamic limit and the identification of the order parameter.