Die vorliegende Arbeit beschaftigt sich mit der Berechnung der Thermodynamik integrabler Quantenketten vom Uimin-Sutherland-Typ mit Hilfe nichtlinearer Integralgleichungen (NLIEs). Es gibt verschiedene Typen derartiger Gleichungen, jedoch erlaubt nur ein Typ die effiziente und hochprazise numerische Losung bei beliebiger Temperatur und allgemeinen chemischen Potentialen.
Die Herleitung basiert auf dem Quanten-Transfermatrix-Zugang, wobei die sich ergebenden Bethe-Ansatz-Gleichungen in einen geschlossenen Satz von lediglich endlich vielen NLIEs transformiert werden. Um dies zu erreichen, mussen geeignete Hilfsfunktionen mit bestimmten Analytizitatseigenschaften gefunden werden.
Die notwendigen Hilfsfunktionen waren zuvor lediglich fur Uimin-Sutherland-Modelle mit zwei bzw. drei Komponenten bekannt. In der vorliegenden Arbeit wird der Zugang auf alle moglichen Falle mit vier Komponenten erweitert, fur die viele weitere Anwendungen, wie z.B. das SU(4) Spin-Orbital-Modell, eine Spin-1/2 Doppelleiter und das Essler-Korepin-Schoutens Modell, bekannt sind.
Verschiedene Grenzfalle der neuen Satze von NLIEs werden betrachtet. Weiterhin wird gezeigt, wie die Hilfsfunktionen zu modifizieren sind, um den exakten Abschlus der NLIEs des TBA-Zugangs auf beliebiger Ebene zu erreichen.
Obwohl kein allgemeines Konstruktionsschema fur die Hilfsfunktionen bekannt ist, kann ein Grosteil der Struktur der endgultigen NLIEs fur die sl(n)- und sl(n|1)-symmetrischen Falle des Uimin-Sutherland-Modells auf Basis der bekannten Ergebnisse abgeleitet werden. Fur den sl(5)- und den sl(4|1)-symmetrischen Fall ist es sogar moglich, fur den kompletten Satz von NLIEs eine fundierte Vermutung abzugeben. Letzterer Fall findet bei der Behandlung des SU(4|1) Spin-Orbital-Modells mit beweglichen Lochern Anwendung.
Abschliesend werden numerische Ergebnisse fur alle betrachteten Modelle geliefert.
Die vorliegende Arbeit beschaftigt sich mit der Berechnung der Thermodynamik integrabler Quantenketten vom Uimin-Sutherland-Typ mit Hilfe nichtlinearer Integralgleichungen (NLIEs). Es gibt verschiedene Typen derartiger Gleichungen, jedoch erlaubt nur ein Typ die effiziente und hochprazise numerische Losung bei beliebiger Temperatur und allgemeinen chemischen Potentialen.
Die Herleitung basiert auf dem Quanten-Transfermatrix-Zugang, wobei die sich ergebenden Bethe-Ansatz-Gleichungen in einen geschlossenen Satz von lediglich endlich vielen NLIEs transformiert werden. Um dies zu erreichen, mussen geeignete Hilfsfunktionen mit bestimmten Analytizitatseigenschaften gefunden werden.
Die notwendigen Hilfsfunktionen waren zuvor lediglich fur Uimin-Sutherland-Modelle mit zwei bzw. drei Komponenten bekannt. In der vorliegenden Arbeit wird der Zugang auf alle moglichen Falle mit vier Komponenten erweitert, fur die viele weitere Anwendungen, wie z.B. das SU(4) Spin-Orbital-Modell, eine Spin-1/2 Doppelleiter und das Essler-Korepin-Schoutens Modell, bekannt sind.
Verschiedene Grenzfalle der neuen Satze von NLIEs werden betrachtet. Weiterhin wird gezeigt, wie die Hilfsfunktionen zu modifizieren sind, um den exakten Abschlus der NLIEs des TBA-Zugangs auf beliebiger Ebene zu erreichen.
Obwohl kein allgemeines Konstruktionsschema fur die Hilfsfunktionen bekannt ist, kann ein Grosteil der Struktur der endgultigen NLIEs fur die sl(n)- und sl(n|1)-symmetrischen Falle des Uimin-Sutherland-Modells auf Basis der bekannten Ergebnisse abgeleitet werden. Fur den sl(5)- und den sl(4|1)-symmetrischen Fall ist es sogar moglich, fur den kompletten Satz von NLIEs eine fundierte Vermutung abzugeben. Letzterer Fall findet bei der Behandlung des SU(4|1) Spin-Orbital-Modells mit beweglichen Lochern Anwendung.
Abschliesend werden numerische Ergebnisse fur alle betrachteten Modelle geliefert.
In dieser Arbeit wird die Thermodynamik eindimensionaler Quantensysteme untersucht, indem das eindimensionale quantenmechanische Modell auf ein zweidimensionales klassisches System mittels einer Trotter-Suzuki Zerlegung abgebildet wird. Neben der häufig angewandten Schachbrettzerlegung wird eine neue Trotter-Suzuki Abbildung vorgestellt, die zu einem klassischen Modell mit alternierenden Reihen führt und die Definition einer einspaltigen Quantentransfermatrix erlaubt. Innerhalb des Transfermatrix-Zugangs kann der thermodynamische Limes exakt durchgeführt werden. Um die Transfermatrix insbesondere für tiefe Temperaturen zu untersuchen, wird eine Variante der Dichtematrix-Renormierungsgruppe, die sog. TMRG, verwendet. Mit dieser Methode wird das t-J Modell untersucht, wobei besonderer Wert auf die Berechnung von Korrelationslängen gelegt wird, um den Übergang vom Hochtemperaturbereich in den quantenkritischen Bereich zu studieren. Zusätzlich wird das reichhaltige Phasendiagramm untersucht. Die numerischen Resultate werden detailliert mit analytischen Ergebnissen aus konformer Feldtheorie verglichen. Ferner wird ein für das Übergangsmetalloxid YVO_3 relevantes Spin-Orbital Modell untersucht. Es wird eine Dimerisierung bei endlicher Temperatur gefunden, die durch den zugehörigen Entropiegewinn getrieben wird. Dieser Mechanismus scheint die bisher unverstandene Stabilität der C-Phase in YVO_3 zu erklären. Im letzten Teil wird eine neue Gitter-Pfadintegraldarstellung vorgestellt, die es erlaubt, dynamische Korrelationsfunktionen zu reellen Zeiten ohne analytische Fortsetzung zu berechnen. Erste Resultate für die Spin-Autokorrelationsfunktion des XXZ-Modells bei unendlicher Temperatur werden vorgestellt.
In der vorliegenden Arbeit werden mehrere Klassen quantenmechanischer Vielteilchensysteme im Formalismus der zweiten Quantisierung aus dem Blickpunkt von Symmetrien sowohl numerisch als auch analytisch untersucht. Um die numerischen Berechnungen durchführen zu können, wurde ein Computerprogramm mit Namen "ArbModel" mit den entsprechenden Fähigkeiten entwickelt. Hierbei wurde großen Wert auf Allgemeinheit gelegt, so dass Hamiltonians zu einer sehr großen Anzahl unterschiedlichster Modelle aufgestellt und diagonalisiert werden können. Alle Ideen, die für die Programmierung eines derartigen Programms notwendig sind, wurden erklärt und in dem numerischen Code verwirklicht. Mit diesem Programm zur Verfügung wurden Vielteilchensysteme, welche lediglich aus identischen Teilchen bestehen, im Allgemeinen untersucht. Es wurden allgemeine Bedingungen für das Vorhandensein einer dynamischen Symmetrie hergeleitet. Bedingungen für die schwächere Forderung nach der Erhaltung der sog. Senioritätsquantenzahl wurden ebenfalls im Detail untersucht. Obwohl derartige Untersuchungen in der Vergangenheit bereits stattgefunden haben, konnten neue Fälle gefunden und neue Bedingungen aufgestellt werden. Als überraschendes Ergebnis wurden Beispiele entdeckt, für welche die Seniorität im Allgemeinen gebrochen, für ein paar spezifische Zustände jedoch erhalten ist. Diese Zustände sind lösbar und entsprechende Formeln für ihre Anregungsenergien wurden angegeben. Alle analytischen Ergebnisse wurden mit "ArbModel" überprüft. Als weitere Anwendungen für den numerischen Code wurden die Vorhersagen einer sehr neuen Theorie, welche Quantenphasenübergänge mit sog. Verzweigungspunkten in Verbindung bringt, verifiziert. Hierfür wurde das sd-Interacting-Boson-Model 1 (sd-IBM1) mit einer sehr hohen Teilchenzahl verwendet. Außerdem wurde eine bestimmte dynamische Symmetrie des Interacting-Boson-Fermion-Models untersucht. Verzweigungsregeln für diese Bose-Fermi-Symmetrie wurden aufgestellt, sowie Auswahlregeln für M1-Übergänge abgeleitet. Auch hier verifiziert der numerische Code alle analytischen Ergebnisse. Da "ArbModel" alle analytischen Ergebnisse dieser Arbeit reproduziert, wurde somit auch der Beweis für Korrektheit dieses Programms gegeben.
Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Kombination verschiedener numerischer Methoden, sowie deren Anwendung auf Probleme stark korrelierter Elektronensysteme. Solche Materialien zeigen viele interessante physikalische Eigenschaften, wie z.B. Supraleitung und magnetische Ordnung und spielen eine bedeutende Rolle in technischen Anwendungen. Es werden zwei verschiedene Modelle behandelt: das Hubbard-Modell und das Kondo-Gitter-Modell (KLM). In den letzten Jahrzehnten konnten bereits viele Erkenntnisse durch die numerische Lösung dieser Modelle gewonnen werden. Dennoch bleibt der physikalische Ursprung vieler Effekte verborgen. Grund dafür ist die Beschränkung aktueller Methoden auf bestimmte Parameterbereiche. Eine der stärksten Einschränkungen ist das Fehlen effizienter Algorithmen für tiefe Temperaturen.rnrnBasierend auf dem Blankenbecler-Scalapino-Sugar Quanten-Monte-Carlo (BSS-QMC) Algorithmus präsentieren wir eine numerisch exakte Methode, die das Hubbard-Modell und das KLM effizient bei sehr tiefen Temperaturen löst. Diese Methode wird auf den Mott-Übergang im zweidimensionalen Hubbard-Modell angewendet. Im Gegensatz zu früheren Studien können wir einen Mott-Übergang bei endlichen Temperaturen und endlichen Wechselwirkungen klar ausschließen.rnrnAuf der Basis dieses exakten BSS-QMC Algorithmus, haben wir einen Störstellenlöser für die dynamische Molekularfeld Theorie (DMFT) sowie ihre Cluster Erweiterungen (CDMFT) entwickelt. Die DMFT ist die vorherrschende Theorie stark korrelierter Systeme, bei denen übliche Bandstrukturrechnungen versagen. Eine Hauptlimitation ist dabei die Verfügbarkeit effizienter Störstellenlöser für das intrinsische Quantenproblem. Der in dieser Arbeit entwickelte Algorithmus hat das gleiche überlegene Skalierungsverhalten mit der inversen Temperatur wie BSS-QMC. Wir untersuchen den Mott-Übergang im Rahmen der DMFT und analysieren den Einfluss von systematischen Fehlern auf diesen Übergang.rnrnEin weiteres prominentes Thema ist die Vernachlässigung von nicht-lokalen Wechselwirkungen in der DMFT. Hierzu kombinieren wir direkte BSS-QMC Gitterrechnungen mit CDMFT für das halb gefüllte zweidimensionale anisotrope Hubbard Modell, das dotierte Hubbard Modell und das KLM. Die Ergebnisse für die verschiedenen Modelle unterscheiden sich stark: während nicht-lokale Korrelationen eine wichtige Rolle im zweidimensionalen (anisotropen) Modell spielen, ist in der paramagnetischen Phase die Impulsabhängigkeit der Selbstenergie für stark dotierte Systeme und für das KLM deutlich schwächer. Eine bemerkenswerte Erkenntnis ist, dass die Selbstenergie sich durch die nicht-wechselwirkende Dispersion parametrisieren lässt. Die spezielle Struktur der Selbstenergie im Impulsraum kann sehr nützlich für die Klassifizierung von elektronischen Korrelationseffekten sein und öffnet den Weg für die Entwicklung neuer Schemata über die Grenzen der DMFT hinaus.
Das in der vorliegenden Arbeit behandelte Modell, die integrable anisotrope Spin-1XXZ-Kette im antiferromagnetischen
Regime, lasst sich uber die Fusionsprozedur aus der trigonometrischen Losung des Sechs-
Vertexmodells konstruieren (siehe (3.1.3), (3.1.9) und (2.0.2)). Fur die Spin-1-Kette lasst sich, basierend
auf der Trotter-Suzuki-Abbildung, ein zweidimensionales klassisches Neunzehn-Vertexmodell finden, mit
dem die thermodynamischen Eigenschaften des Systems uber die Quantentransfer-Matrix beschrieben werden
konnen. Im thermodynamischen Limes lasst sich die Freie Energie lediglich durch den betragsmasig
grosten Eigenwert dieser Transfer-Matrix und somit alle weiteren globalen thermodynamischen Eigenschaften
angegeben. Die Bestimmung des Eigenwertes fur endliche Temperatur erfordert das (numerische)
Losen eines nichtlinearen Integralgleichungs-Systems dreier Hilfsfunktionen (siehe (3.2.24) sowie (4.1.25)
bis (4.1.29)).
Um Aussagen uber lokale Eigenschaften treffen zu konnen, wird die (reduzierte) Dichte-Matrix benotigt,
damit die Erwartungswerte eines lokal wirkenden Operators bestimmt werden konnen (siehe (2.6.6)). Ziel
dieser Arbeit war es eine adaquate Beschreibung fur die Dichte-Matrixeintrage zu finden.
Für die Behandlung irreversibler Prozesse diskreter quantenthermodynamischer Systeme eignet sich die reduzierte Beschreibung. Hierfür betrachtet man bezüglich einer gegebenen Beobachtungsebene verschiedene begleitende Prozesse zur quantenmechanischen von Neumann Dynamik. Während die kanonische Dynamik auch unabhängig von einer mikroskopischen Bewegungsgleichung hergeleitet werden kann, wird die von Neumann Dynamik im Rahmen des Projektionsformalismus in einen relevanten und einen irrelevanten Anteil bezüglich der Beobachtungsebene aufgeteilt. Als Beispiel für die Projektionsdynamik geben wir die Robertson Dynamik und die Fick Sauermann Dynamik an und untersuchen deren Eigenschaften sowie geeignete Projektionsoperatoren. Hierbei können wir den Zugang über das Mori Skalarprodukt und dem entsprechenden Kawasaki Gunton Operator über den generalisiert kanonischen Dichteoperator hinaus auf allgemeine begleitende Operatoren erweitern. Unter Verwendung der kanonischen Dynamik wird die Rate der von Neumann Entropie bestimmt und analysiert. In der thermodynamischen Anwendung sind zeitabhängige Observablen, die von Arbeitsvariablen abhängen, von besonderem Interesse. Um den ersten Hauptsatz anwenden zu können, müssen die grundlegenden thermodynamischen Gößen, Arbeits- und Wärmeaustausch, bekannt sein. Deswegen fordern wir, daß begleitende Prozesse hinreichend für die zugehörigen Arbeits- und Flußobservablen sind. Im allgemeinen sind weder die kanonische Dynamik noch die Projektionsdynamiken hinreichend, so daß wir anschließend einen Ansatz für eine hinreichende Dynamik angeben. In Zusammenhang mit der Extended Thermodynamics verallgemeinern wir die Forderung nach der hinreichenden Dynamik auf eine schwächere Formulierung. Anhand des Beispiels der kanonischen Dynamik diskreter Systeme unter thermischem Kontakt analysieren wir die Entropierate und wenden das Konzept der Kontakttemperatur auf die zugehörigen Wärmeübergänge an. In einem anderen Beispiel behandeln wir die Elektron-Phonon-Wechselwirkung im Festkörper. Hier wird die Robertson Projektion durchgeführt, um den Einteilchenanteil vom Korrelationsanteil für Mehrteilchen zu trennen. Beide Anteile sind relevant, um die Elemente der Elektronendichtematrix zu bestimmen. Die Dynamik von Teilsystemen sowie deren begleitende Prozesse werden untersucht, auch im Hinblick auf das Hinreichendsein. Die von Neumann Dynamik eines Teilsystems wird um einen Term ergänzt, der die Entropieproduktion bei innerem Wärmestrom berücksichtigen soll.
In der vorliegenden Arbeit werden thermodynamische Eigenschaften
und statische Korrelationsfunktionen eindimensionaler Quantensysteme,
die in Beziehung zum Sechs-Vertex-Modell der Statistischen Mechanik
stehen, untersucht.
Im ersten Teil wird eine alternative, auf dem Sechs-Vertex-Modell
beruhende Gitterregularisierung des Sine-Gordon- bzw. des dazu
aquivalenten massiven Thirring-Modells entwickelt. Dieses Verfahren erlaubt
es, Transfermatrizen sowohl mit reeller als auch mit imaginarer Zeit zu
behandeln. Daraus ergibt sich ein alternativer Zugang zur Thermodynamik
mit Hilfe der Quantentransfermatrix, der auch fur die Bestimmung
von Korrelationsfunktionen bei endlichen Temperaturen geeignet ist. Fur
das Gittermodell werden nichtlineare Integralgleichungen zur Berechnung
der freien Energie hergeleitet. Im Kontinuumslimes gehen diese in die
bekannten Gleichungen fur das Sine-Gordon-Modell uber. Des Weiteren wird
fur das Gittermodell eine Vielfachintegraldarstellung fur eine erzeugende
Funktion von Korrelationsfunktionen hergeleitet. Der Kontinuumslimes am
Punkt freier Fermionen fuhrt auf eine Verallgemeinerung einer bekannten
Fredholm-Determinanten-Darstellung auf endliche Temperaturen.
Im zweiten Teil werden temperatur- und magnetfeldabhangige
Korrelationsfunktionen der massiven XXZ-Kette bei kurzen Abstanden
explizit berechnet. Die Rechnungen beruhen auf dem kurzlich entdeckten
Phanomen der Faktorisierung der Korrelationsfunktionen der XXZ-Kette.
Faktorisierung bedeutet, dass alle Korrelationsfunktionen polynomial
von speziellen Ein- und Nachbar-Zweipunktfunktionen eines verallgemeinerten
Modells abhangen. Fur letztere gab es im massiven Bereich des
Phasendiagramms keine numerisch effiziente Formulierung. In der vorliegenden
Arbeit werden die entsprechenden linearen und nichtlinearen
Integralgleichungen hergeleitet und fur den gesamten massiven Bereich
des Phasendiagramms numerisch ausgewertet. Im Grenzfall groser Anisotropie
stellt sich der magnetfeldgetriebene Phasenubergang der klassischen
Isingkette als Tripelpunkt des quantenmechanischen Systems dar. Die
exponentiell hohe Entartung der Isingkette wird durch quantenmechanische
Restwechselwirkungen aufgehoben. In der Arbeit wird die Umgebung des
Tripelpunkts zum einen exakt, zum anderen mit Hilfe entarteter
Storungsrechnung untersucht. Die Betrachtung des effektiven
Hamiltonoperators aus der Storungsrechnung gestattet es, das
Skalenverhalten in der Nahe des Tripelpunkts zu verstehen und damit die
Integralgleichungen im Limes analytisch zu losen. Dies resultiert in
expliziten Ergebnissen fur die Korrelationsfunktionen bei kurzen
Abstanden in der Nahe des Tripelpunkts.