Das Projektor-Quanten-Monte-Carlo-Verfahren (PQMC) liefert den Grundzustand des Hubbard-Modells in Form einer Linearkombination von Slaterdeterminanten. In der Arbeit wurde der Einfluß des Vorzeichens des Skalarproduktes zwischen den Slaterdeterminanten auf die quantenmechanischen Erwartungswerte des PQMC durch Vergleich mit alternativen Grundzustandrechnungen untersucht. Ein Implementierung des Verfahrens mittels einer Multi-Precision-Library ergab, daß sich negative Vorzeichen nicht alleine mit numerischen Instabilitäten der Fließkommarechnung erklären lassen. Weiterhin wird in der Arbeit zum ersten Mal in aller Ausführlichkeit mit Verteilungen über die Monte-Carlo-Beiträge zu den quantenmechanischen Observablen argumentiert. Diese Darstellung verdeutlicht, daß eine mögliche langreichweitige supraleitende Korrelation des Grundzustandes sich allenfalls über einige wenige Slaterdeterminanten mit allerdings großem Betrag zum entsprechenden Erwartungswert ergibt.
Das Projektor-Quanten-Monte-Carlo-Verfahren (PQMC) liefert den Grundzustand des Hubbard-Modells in Form einer Linearkombination von Slaterdeterminanten. In der Arbeit wurde der Einfluß des Vorzeichens des Skalarproduktes zwischen den Slaterdeterminanten auf die quantenmechanischen Erwartungswerte des PQMC durch Vergleich mit alternativen Grundzustandrechnungen untersucht. Ein Implementierung des Verfahrens mittels einer Multi-Precision-Library ergab, daß sich negative Vorzeichen nicht alleine mit numerischen Instabilitäten der Fließkommarechnung erklären lassen. Weiterhin wird in der Arbeit zum ersten Mal in aller Ausführlichkeit mit Verteilungen über die Monte-Carlo-Beiträge zu den quantenmechanischen Observablen argumentiert. Diese Darstellung verdeutlicht, daß eine mögliche langreichweitige supraleitende Korrelation des Grundzustandes sich allenfalls über einige wenige Slaterdeterminanten mit allerdings großem Betrag zum entsprechenden Erwartungswert ergibt.
Das Transport- und Relaxationsverhalten verschiedener Quantenmodelle wird untersucht. Den ersten Teil der vorliegenden Arbeit bildet die Untersuchung der Transporteigenschaften von speziellen finiten modularen Quantensystemen bzgl. einer Boltzmann-Gleichung (BG). Diese Systeme, in denen unter bestimmten Bedingungen diffusiver Transport beobachtet werden kann, wurden mit verschiedenen Methoden zur Beschreibung von Quantentransport untersucht. Dabei zeigt sich, dass sich das diffusive Transportverhalten in diesen Systemen aus der zugrunde liegenden Schrödinger Dynamik heraus beschreiben lässt. Ob die diffusive Dynamik in diesen Systemen ebenfalls auf der Basis einer BG beschrieben werden kann, wird analytisch und numerisch untersucht. Im zweiten Teil wird die Relaxationsdynamik in quantenmechanischen Vielteilchensystemen untersucht. Speziell wird versucht, die Lebensdauern von angeregten Elektronen (Löchern) in Metallen, welche mit dem Fermi-See der Elektronen wechselwirken, mittels der zeitfaltungsfreien Projektionsoperator-Methode (TCL) zu bestimmen. Letztere liefert einen analytischen Ausdruck für die Dämpfungsrate (inverse Lebensdauer), welche temperaturabhängig ist und im Rahmen von Standard-Streuprozessen interpretiert werden kann. Um dieses analytische Ergebnis zu testen, wird es angewendet, um die Lebensdauern angeregter Elektronen (Löcher) in Aluminium zu bestimmen, für das ein Jellium Modell verwendet wird. Die Ergebnisse, die man über Monte-Carlo-Integration erhält, werden mit experimentellen und theoretischen Daten aus Selbstenergie-Rechnungen verglichen. Des Weiteren werden die Lebensdauern angeregter Elektronen in Kupfer ermittelt, für das ein Tight-Binding-Modell verwendet wird.
In dieser Arbeit werden Linked-Cluster Entwicklungen weiterentwickelt und auf verschiedene Hubbard- und Spinmodelle bei Temperatur T=0 angewendet. Die Spinmodelle können dabei als effektive Beschreibung der isolierenden Mottphase von Hubbardmodellen angesehen werden. In den meisten Fällen sind die verwendeten Linked-Cluster Entwicklungen nichtperturbative Varianten, welche physikalische Größen auf einzelnen Graphen mit nichtperturbativen Methoden wie kontinuierlichen unitären Transformationen oder exakter Diagonalisierung berechnen, um Resultate im thermodynamischen Limes zu erhalten. Das halbgefüllte Hubbardmodell auf einer Einparameterfamilie von flussgefüllten Quadratgittern besteht aus einem anisotropen Parameter, welcher zwischen dem Grenzfall isolierter Dimere und dem isotropen Quadratgitter interpoliert. Es stellt sich heraus, dass das Grundzustandsphasendiagramm aus vier Phasen besteht: Einem Halbmetall und einem Bandisolator für schwache Wechselwirkungen sowie einer Néelphase und einem Valenzbondkristall bei starken Wechselwirkungen. Alle Ergebnisse sind entlang der gesamten Parameterachse konsistent mit der Abwesenheit einer Spinflüssigkeitsphase. Das Phasendiagramm wird durch eine Kombination von Quanten-Monte-Carlo-Rechnungen und kontinuierlichen unitären Transformationen bestimmt. Dabei werden die kontinuierlichen unitären Transformationen in zwei Schritten durchgeführt: Zuerst werden nichtperturbative graphenbasierte kontinuierliche unitäre Transformationen verwendet, um effektive Quantenspinmodelle für die Mottphase abzuleiten. Im Anschluss daran werden diese Spinmodelle innerhalb des Valenzbondkristalls mit perturbativen kontinuierlichen unitären Transformationen analysiert, indem die Triplonlücke bestimmt und der Zusammenbruch des Valenzbondkristalls untersucht wird. Kürzliche Studien haben Hinweise für die Existenz einer nichtmagnetischen isolierenden Phase innerhalb der Mottphase des halbgefüllten Hubbardmodells auf dem Pi-Fluss Dreiecksgitter gefunden. In dieser Arbeit wird mit perturbativen kontinuierlichen unitären Transformationen ein effektives Spinmodell für dieses Hubbardmodell abgeleitet. Die Analyse der effektiven Spinmodelle mittels exakter Diagonalisierung zeigt keine Anzeichen für die Existenz einer solchen exotischen Phase. Abschließend wird in dieser Arbeit ein generisches Schema zur Durchführung von nichtperturbativen Linked-Cluster Entwicklungen in langreichweitig geordneten Quantenphasen vorgestellt. Dieses Schema geht über das Paradigma der normalen nichtperturbativen Linked-Cluster Entwicklungen hinaus und erweitert diese, sodass eine Berechnung um einen geordneten Referenzzustand durchgeführt werden kann. Die Cluster werden dann, als von diesem Referenzzustand umgeben, betrachtet, wodurch sich Randfelder ergeben, welche die mit der Ordnung assoziierte Symmetrie brechen. Das Einbeziehen dieser Randfelder in der exakten Diagonalisierung auf den einzelnen Graphen, führt -- selbst für langreichweitig magnetisch geordnete Phasen mit lückenlosen Anregungen, bei denen die divergierende Korrelationslänge üblicherweise die Anwendung von nichtperturbativen Linked-Cluster Entwicklungen verhindert -- zu einem monotonen Konvergenzverhalten. Weiterhin wird das Skalierungsverhalten der Datensequenzen zu unendlichen Ordnungen untersucht. Dabei werden unterschiedliche Graphenentwicklungen angewendet, welche eine volle Graphenentwicklung sowie Entwicklungen in rechteckigen und symmetrischeren quadratischeren Clustern beinhalten. Das Schema wird auf das Spin-1/2 und Spin-1 Heisenbergmodell auf dem Quadrat- und Dreiecksgitter, welche beide einen langreichweitig magnetisch geordneten Grundzustand mit lückenlosen Spinwellenanregungen aufweisen, sowie auf das Spin-1 Heisenbergmodell auf dem Kagomegitter, welches einen spontan trimerisierten lückenbehafteten Grundzustand besitzt, angewendet.
In dieser Arbeit wurden wichtige Schritte zur Realisierung eines auf Diamant basierenden Quantencomputers gezeigt. Im Mittelpunkt steht dabei das Nitrogen-Vacancy Zentrum und die Wechselwirkung seines Elektronspins mit der Umgebung. Insbesondere die Kopplung an den Kernspin des Stickstoffatoms und die Wechselwirkung von zwei NV Zentren wurden untersucht. Neben der Verwendung als zusätzliches Quanten-Bit, kann der Kernspin auch dazu benutzt werden, die Genauigkeit des optischen elektronenspin-Ausleseprozesses drastisch zu erhöhen. Das konsequente Fortführen dieses Gedankens gipfelt in der Möglichkeit den Quantenzustand des Elektronenspins mit einer einzelnen Auslesesequenz zu bestimmen. Desweiteren wurde zum ersten Mal die magnetische Wechselwirkung zweier NV Zentren demonstriert. Dies zeigt, dass die Anzahl der zu Verfügung stehenden Quanten-Bits prinzipiell nicht begrenzt ist und ist eine wichtige Notwendigkeit für einen nützlichen Quantencomputer.
In der vorliegenden Dissertation wurde eine allgemeine Klasse von Gutzwiller-Wellenfunktionen zur variationellen Untersuchung von Mehr-Band-Hubbard-Modellen eingeführt. In diesen Modellen konnten sämtliche (d.h. nicht nur dichteartige) Terme der atomaren Wechselwirkungsoperatoren berücksichtigt werden. Die verallgemeinerten Gutzwiller-Wellenfunktionen stellen sowohl im unkorrelierten wie auch im atomaren Limes die exakten Grundzustände der jeweiligen Hamiltonoperatoren dar. Im Limes unendlicher Raumdimension gelang es, die Energieerwartungswerte analytisch zu berechnen. Diese Ergebnisse erlaubten die Herleitung eines effektiven Ein-Teilchen-Hamiltonoperators, der eine Beschreibung des korrelierten Systems im Rahmen einer Fermiflüssigkeitstheorie ermöglicht. Als erste Anwendung wurde ein System mit zwei entarteten eg-Bändern untersucht. Im Gegensatz zum Ein-Band-Modell enthielt dieses System lokale Austauschterme, die sich als sehr einflußreich herausstellten. Zum einen ergab sich ein signifanter Unterschied bezüglich des Brinkmann-Rice-Metall-Isolator-Übergang in beiden Modellen, wobei der Wert des lokalen Austauschs das qualitative Verhalten dieses Übergangs wesentlich bestimmt. Zum anderen zeigte sich im Gegensatz zum Ein-Band-Modell, daß itineranter Ferromagnetismus bereits bei moderaten Korrelationsstärken auftreten kann, sofern ein endlicher Wert für den lokalen Austausch angenommen wird.
Es ist eine Verfahren entwickelt worden, das es ermoglicht auf Standard-Gauss-Basissatzen aufbauende Ab-Initio-Wellenfunktionen direkt in Guidance-Funktionen des Fix-Knoten-Diffusions-Quanten-Monte-Carlo-Verfahrens (FN-DQMC) zu ubernehmen. Die Genauigkeit des FN-DQMC-Verfahrens ist anschliesend fur auf Hartree-Fock-Funktionen aufbauende Guidance-Funktionen systematisch untersucht worden, indem Reaktionsenthalpien und Multipolmomente kleiner Molekule berechnet wurden. Um die Effizienz des FN-DQMC-Verfahrens fur Rechnungen an grosen Molekulen zu verbessern, ist eine lokale DQMC-Variante (LDQMC) entwickelt worden, die eine verbesserte Skalierung der Rechenzeiten mit der Elektronenzahl gegenuber dem Standardverfahren aufweist. Die LDQMC-Methode baut dabei im Wesentlichen auf lokalisierten Molekulorbitalen und kurzreichweitigen Korrelationstermen auf. Des Weiteren wurde ein auf dem DQMC-Verfahren zur Berechnung von Multipolmomenten aufbauender Ansatz eingefuhrt, der die Berechnung von verteilten Multipolmomenten fur praktisch beliebige, topologische Gebietsaufteilungen der Molekule ermoglicht. Die Methode ist anhand einer einfachen Gebietsaufteilung demonstriert worden.
Das universelle Verhalten von Störstellen mit stark korrelierten Elektronen in einem Metall wird bewiesen. In solchen Systemen wechselwirken die lokalen, stark korrelierten Elektronen der Störstelle mit den niederenergetischen Teilchen-Loch-Anregungen des Metalls und bilden einen komplizierten Vielteilchen-Grundzustand. Alle Versuche, diesen Grundzustand, die elementaren Anregungen und die Energieskalen des universellen Verhaltens mit den sonst üblichen störungstheoretischen Methoden zu berechnen, sind gescheitert. In einigen Spezialfällen gelingt mit Hilfe des Bethe-Ansatzes oder der numerischen Renormierungsgruppe eine Bestimmung der Thermodynamik eines Modellsystems, das aber nicht direkt mit dem ursprünglichen System in Verbindung gebracht werden kann. Daher stellt sich die Frage, wie man das universelle Verhalten von solchen Systemen systematisch beschreiben kann. Die zentralen Aussagen dieser Dissertation lauten: 1. Die Energieskalen eines Systems mit Störstellen lassen sich mit Hilfe einer Diagrammtechnik exakt berechnen. 2. Der Störstellen-Anteil jeder Observablen skaliert im universellen Limes mit der gleichen Energie. 3. Allein die Diagrammstruktur liefert ein Kriterium dafür, wann eine Näherung das universelle Verhalten bewahrt. Die hier benutzte Diagrammtechnik für Störstellen in Metallen wird neu und vereinfacht hergeleitet. Die Zusammenfassung der Diagramme in Klassen von Skelettdiagrammen führt auf ein Variationsprinzip für ein erzeugendes Funktional. Der Störstellen-Anteil der jeweiligen Observablen ergibt sich am Sattelpunkt des Funktionals bezüglich der Variation nach den ionischen Propagatoren. Diese Methode stammt von Luttinger und Ward. In dieser Dissertation wird die Information benutzt, wie die Skelettdiagramme strukturiert sind. Der entscheidende Punkt ist, dass man die Parameter-Abhängigkeit der Propagatoren im erzeugenden Funktional am Sattelpunkt ignorieren kann: Sie wird nur durch die Struktur der Skelettdiagramme bestimmt. Die Skelettdiagramme können so allein aufgrund ihrer Struktur nach der inversen Bandbreite klassifiziert werden. Nur eine als relevant bezeichnete Mindestmenge der Skelettdiagramme bestimmt die exakten Energieskalen des Systems, ohne das Modell vorher gelöst zu haben. Dies ergibt die erste Aussage. Eine Observable ergibt sich stets als Antwort des Systems auf ein entsprechendes äusseres Feld. Es wurde gezeigt, dass es nicht von der Observablen abhängt, welche Skelettdiagramme relevant sind. So kann man zeigen, dass der Störstellen-Anteil jeder Observablen mit der gleichen Energieskala skaliert. Dies ergibt die zweite Aussage. Die relevanten Skelettdiagramme beschreiben damit das universelle Verhalten der Störstelle und garantieren eine systematische Näherung für die Thermodynamik und die Dynamik der Störstelle. Berücksichtigt man noch weitere Skelettdiagramme, so verhalten sich die damit berechneten Störstellen-Anteile von Observablen genau dann universell, wenn ganze Familien von Skelettdiagrammen mitgenommen werden. Diese Skelettdiagramme ändern nichts an der Energieskala. Dies ergibt die dritte Aussage. Für das Anderson-Modell Störstelle in einem Metall ergeben die relevanten Skelettdiagramme gerade die sogenannte non-crossing-approximation (NCA). Daher beschreibt die NCA das universelle Verhalten des Anderson-Modells qualitativ richtig. Skelettdiagramme höherer Ordnung ändern das Bild nicht qualitativ. Bisher war es unerklärlich, warum die NCA mit den Resultaten der numerischen Renormierungsgruppe so gut übereinstimmt. Die Erklärung findet sich im exakten Skalierungsverhalten der NCA, das hier gezeigt wurde. Um das Verfahren zu testen, haben wir für das Anderson-Modell im magnetischen Limes das crossover untersucht. Für hohe Temperaturen oder Magnetfelder verhält sich das magnetische Moment der Störstelle asymptotisch frei, während es für tiefe Temperaturen durch niederenergetische Teilchen-Loch-Anregungen des Fermi-Sees abgeschirmt wird. Dieses crossover vom perturbativen Hochtemperatur- zum nichtperturbativen Niedertemperaturbereich wird durch die Wilson-Zahl charakterisiert. Hier wird die Wilson-Zahl zum ersten Mal mit einer Diagrammtechnik (NCA) berechnet. Das Ergebnis stimmt im Rahmen der Näherung mit dem als exakt postulierten Resultat überein. Um das universelle Verhalten anderer Observablen zu demonstrieren, wurde sodann für das Anderson-Modell zum ersten Mal explizit gezeigt, dass das Einteilchen-Anregungsspektrum - und damit die Abrikosov-Suhl-Resonanz - richtig skaliert, wenn man es mit Hilfe der NCA berechnet. Die vorgestellte Methode ermöglicht es auch, für ein System mit Störstellen die Qualität von Näherungen zu beurteilen, ohne sie zuvor explizit lösen zu müssen.