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Tipo do documento: Tese
Título: Eletrodinâmicas estendidas em meios contínuos e efeitos ópticos
Título(s) alternativo(s): Extended electrodynamics in continuous media and optical effects
Autor: SILVA, Pedro Diego da Silva e 
Primeiro orientador: FERREIRA JÚNIOR, Manoel Messias
Primeiro membro da banca: FERREIRA JÚNIOR, Manoel Messias
Segundo membro da banca: CASANA SIFUENTES, Rodolfo Alván
Terceiro membro da banca: SILVA, Edilberto Oliveira
Quarto membro da banca: SCHRECK, Marco
Quinto membro da banca: OLIVEIRA NEVES, Mario Junior de
Resumo: Neste trabalho, discutiremos a propagação eletromagnética e propriedades ópticas em meios dielétricos regidos por eletrodinâmicas estendidas, através de relações constitutivas modificadas ou por meio de derivadas superiores. Estudamos propriedades de polarização, modos propagantes, birrefringência, rotação óptica e dicroísmo, através da Eledrodinâmica Clássica de Maxwell, dentro dum tratamento de Teoria Clássica de Campos. Inicialmente, apresentamos, no capítulo 2, o ferramental básico a ser utilizado ao longo deste trabalho. No capítulo 3, comentamos sobre o efeito magnético quiral (CME), a geração de corrente elétrica macroscópica na presença de um campo magnético devido à assimetria entre o número de densidade de férmions de mão-direita e -esquerda no sistema. Motivados por esse efeito intensamente investigado na literatura, propomos uma generalização da lei de Ohm para descrever meios isotrópicos e dispersivos dotados de condutividade magnética. Para o caso de condutividade magnética diagonal isotrópica, o qual inclui o CME, os índides de refração são modificados, implicando em birrefringência. Para os casos de condutividade magnética não-diagonal, os índices de refração modificados exibem partes imaginárias, atribuíndo comportamento condutor a um meio dielétrico usual. No capítulo 4, investigamos os efeitos originados de relações constitutivas estendidas na propagação de ondas em meios bi-isotrópicos e bi-anisotrópicos, calculando as relações de dispersão e os índices de refração. Para os meios bi-anisotrópicos, especificamos duas classes de parâmetros magnetoelétricos, representados por tensores simétrico e anitssimétrico. Os três casos examinados fornecem índices de refração reais e distintos, que implicam em birrefringência. A anisotropia ou efeito de birrefringência é determinada pelo poder de rotação ou pela diferença de fase, sendo dada em termos dos parâmetros magnetoelétricos. Discutimos ainda as velocidades de grupo e vetor de Poynting em cada caso. No capítulo 5, investigamos o efeito de reversão do poder de rotação em meios bi-isotrópicos dotados de condutividade magnética. O cenário em que a condutividade é isotrópica manifesta birrefringência circular, descrita pelo poder de rotação dispersivo que muda de sinal para uma dada frequência. Para um meio bi-isotrópico com a condutividade antissimétrica, obtém-se um complicado poder de rotação dispersivo, também manifestando inversão de sinal. Tais cenários também indicam uma reversão na quiralidade do meio, propriedade não usual em dielétricos. No capítulo 6, estudamos como a eletrodinâmica CPT-ímpar de Maxwell-Carroll-Field-Jackiw (MCFJ) e sua extensão não-mínima de dimensão 5 alteram o comportamento óptico de meios contínuos. Iniciamos revisando o modelo MCFJ (com termo CPT-ímpar de dimensão 3) em meio dielétrico, determinando as equações de Maxwell modificadas e relações de dispersão. Para o caso puramente timelike, os ínidices de refração são reais, exibindo birrefringência, e os modos de propagação associados são descritos por polarizações circulares. Para o caso puramente spacelike, um índice de refração é sempre real e o outro pode ser complexo. Os modos de propagação circularmente polarizados podem exibir birrefringência e dicroísmo. Para o modelo modificado por termo CPT-ímpar de dimensão 5, abordado ainda no capítulo 6, determinamos os índices de refração a partir de uma equação de dispersão de sexta ordem. Para o caso puramente timelike, obtemos três índices de refração, um deles sendo real e o os outros dois sendo complexos. Tais índices de refração são associados a dois modos de propagação circularmente polarizados, exibindo birrefringência ou dicroísmo, dependendo do intervalo de frequência. Para o caso puramente spacelike, encontramos cenários de propagação eletromagnética análogos àqueles que ocorrem em dielétricos dispersivos.
Abstract: In this work, we discuss the electromagnetic propagation and optical properties in dielectric media governed by an extended electrodynamics by means of modified constitutive relations or higher derivatives. We study polarization, modes of propagation, birefringence, optical rotation and dichroism through Maxwell’s Classical Electrodynamics, within the framework of Classical Field Theory. First we present in chapter 2 the basic mathematical tools which are used throughout this work. In chapter 3, we comment about the chiral magnetic effect (CME), the generation of a macroscopic electric current in the presence of a magnetic field due to an asymmetry between the number density of left- and right-handed fermions in the system. Such an effect is, on the one hand, and the optical properties of continuous media, on the other hand, is a strong motivation for our investigation. Here we propose a generalization of Ohm’s law in order to describe isotropic and dispersive media endowed with a magnetic conductivity. For the case of an isotropic magnetic conductivity, which includes the CME, the refractive indices are modified, implying birefringence. For the scenarios of a non-diagonal magnetic conductivity, the modified refractive indices exhibit imaginary pieces, ascribing conducting behavior to a usual dielectric medium. In chapter 4, we investigate the effects originating from extended constitutive relations on electromagnetic-wave propagation in bi-isotropic and bi-anisotropic media, by calculating dispersion relations and refractive indices. For the bi-anisotropic media, we specify two classes of magnetoelectric parameters represented by symmetric and antisymmetric tensors. The anisotropy of the birefringence effect is determined through the rotatory power or the phase shift, which are evaluated in terms of the magnetoelectric parameters. We also discuss the group velocities and Poynting vector in each case. In chapter 5, we investigate the rotatory-power reversal effect on bi-isotropic media in the presence of a magnetic conductivity. For the case of an isotropic conductivity, birefringence occurs, described by the dispersive rotatory power that changes its sign at a given frequency. For the case of an antisymmetric conductivity, one obtains the corresponding rotatory power and dichroism coefficients for the both scenarios of null and non-null Ohmic conductivity. All these cases indicate a chirality reversal of the medium when the magnetic conductivity is isotropic, and that anisotropies in the magnetic current can prevent chirality reversal. In chapter 6, we study how the CPT-odd Maxwell-Carroll-Field-Jackiw (MCFJ) electrodynamics and its dimension-5 extension modify the optical behavior of continuous media. We start by reviewing the MCFJ model in a dielectric medium, determining the modified Maxwell equations and dispersion relations. For the purely timelike case, the refractive indices are real, exhibiting birefringence, and the propagation modes are described by circularly polarized vectors. In the purely spacelike case, one refractive index is always real and the other one may be complex. The circularly polarized propagation modes may exhibit birefringence and dichroism. Fo the MCFJ model modified by the CPT-odd terms of dimension 5, also discussed in chapter 6, we determine the refractive indices from a sixth order dispersion equation. For the purely timelike case, we obtain three refractive indices, one being real and the other complex conjugates of each other. These refractive indices are associated with two circularly polarized propagation modes. Furthermore, depending on the frequency regime, one obtains birefringence and dichroism. In the purely spacelike case, we find scenarios of electromagnetic propagation analogous to those that occur in dispersive dielectrics.
Palavras-chave: Eletrodinâmica Clássica;
Relações constitutivas;
Relações de dispersão;
Birrefringência;
Modelo Padrão Estendido não-mínimo;
Violação de Lorentz;
Eletrodinâmica com altas derivadas
Classical Electrodynamics;
Constitutive Relations;
Dispersion Relations;
Birefringence;
Nonminimal Standard Model-Extension;
Lorentz Violation;
Electrodynamics with higher-order derivatives
Área(s) do CNPq: Áreas Clássicas de Fenomenologia e suas Aplicações
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Maranhão
Sigla da instituição: UFMA
Departamento: DEPARTAMENTO DE FÍSICA/CCET
Programa: PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA/CCET
Citação: SILVA, Pedro Diego da Silva e. Eletrodinâmicas estendidas em meios contínuos e efeitos ópticos. 2022. 236 f. Tese( Programa de Pós-graduação em Física/CCET) - Universidade Federal do Maranhão, São Luís, 2022.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://tedebc.ufma.br/jspui/handle/tede/6077
Data de defesa: 23-Set-2022
Aparece nas coleções:TESE DE DOUTORADO - PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FISICA

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