Die Freie Energie der anisotropen Heisenberg-Kette kann im thermodynamischen Limes durch den
fuhrenden Eigenwert einer Quantentransfermatrix dargestellt werden. Diese ist eine spezielle
Darstellung der Yang-Baxter-Algebra zur R-Matrix der XXZ -Kette und ist mit dem algebraischen
Bethe-Ansatz diagonalisierbar. Am Beispiel einer erzeugenden Funktion der zz-Korrelation soll
gezeigt werden, dass der zugeordnete Eigenvektor zum fuhrenden Eigenwert alle statischen
Korrelationen umfasst: Die Erzeugende wird durch Bildung von Skalarprodukten im Sinne des
algebraischen Bethe-Ansatzes mit dem fuhrenden Eigenvektor bestimmt und in einer
Vielfachintegraldarstellung angegeben. Die Ergebnisse sind gultig fur endliche Temperaturen und
endliche, longitudinale Magnetfelder.
Die Freie Energie der anisotropen Heisenberg-Kette kann im thermodynamischen Limes durch den
fuhrenden Eigenwert einer Quantentransfermatrix dargestellt werden. Diese ist eine spezielle
Darstellung der Yang-Baxter-Algebra zur R-Matrix der XXZ -Kette und ist mit dem algebraischen
Bethe-Ansatz diagonalisierbar. Am Beispiel einer erzeugenden Funktion der zz-Korrelation soll
gezeigt werden, dass der zugeordnete Eigenvektor zum fuhrenden Eigenwert alle statischen
Korrelationen umfasst: Die Erzeugende wird durch Bildung von Skalarprodukten im Sinne des
algebraischen Bethe-Ansatzes mit dem fuhrenden Eigenvektor bestimmt und in einer
Vielfachintegraldarstellung angegeben. Die Ergebnisse sind gultig fur endliche Temperaturen und
endliche, longitudinale Magnetfelder.
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.
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.
Die Arbeit beginnt mit einer kurzen Einfuehrung in das anisotrope
Heisenberg-Modell (XXZ-Modell). Im Hauptteil werden als Spezialfaelle davon das
XX-Modell und das Haldane-Shastry-Modell untersucht.
Fuer das XX-Modell wird eine vollstaendige Beschreibung des Spektrums durch
Spinonen (spezielle Quasiteilchen) gegeben. Die Beschreibung umfasst
Teilchen-Wechselwirkung, Orbital-Wechselwirkung, Bethe-Ansatzgleichungen und
eine alternative Herleitung der Thermodynamik fuer endliche Temperatur und
endliches Magnetfeld. Ausserdem wird eine allgemeingueltige Darstellung des
dynamischen Spin-Strukturfaktors gegeben und fuer verschiedene Faelle
asymptotisch im thermodynamischen Limes und numerisch auf endlichen Systemen
ausgewertet.
Das Spektrum des Haldane-Shastry-Modell kann auch durch Spinonen
parametrisiert werden. Die Arbeit gibt eine dezidierte Untersuchung eines
einzelnen Orbitals und eine geschlossene Darstellung der Energie eines
generischen Zustandes mit beliebig vielen Orbitalen. Fuer den Fall endlicher
Temperatur ohne Magnetfeld wird die Thermodynamik hergeleitet. Dabei koennen
Fehler in der bisherigen Literatur aufgedeckt werden.
Die Arbeit schliesst mit technischen Anhaengen und einer Einfuehrung in
Neutronenoptik.
In der vorliegenden Arbeit wird die Dynamik ein-bzw.quasi-eindimensionaler, antiferromagnetischer S = ½ Quantenspinsysteme über einen großen Bereich von Frequenzen, externen Magnetfeldern und insbesondere endlichen Temperaturen untersucht.Die dynamischen Strukturfaktoren werden durch numerische Berechnung von Spinoperator-Matrixelementen basierend auf allen Eigenenergien und Eigenfunktionen, die durch vollständige, exakte Diagonalisierung gewonnen werden, bestimmt.Der erste Teil dieser Arbeit untersucht die Dynamik der alternierenden, antiferromagnetischen Heisenberg-Kette anhand von spezifischer Wärme und dynamischen Strukturfaktoren für Ketten mit bis zu Spins.Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt unter Anlehnung an die analytischen Ergebnisse des Grenzfalls der nicht wechselwirkenden Dimer, was bis zu einem Verhältnis λ 0.3 der Kopplungsstärken qualitativ gültig ist.Den Betrachtungen der spezifischen Wärme und des integrierten Strukturfaktors folgt die Analyse des Verhalten des zentralen, des Ein-und des Zweimagnonen-Peaks des longitudinalen und transversalen Strukturfaktors in Abhängigkeit von Impulsübertrag, Temperatur und Magnetfeld.Der zweite Teil untersucht die rautenförmige Kette (engl.: distorted diamond chain), eine Variante der antiferromagnetischen Heiseberg-Kette mit übernächster-Nachbar-Wechselwirkung mit bis zu Spins.Die Auswertung stützt sich dabei auf die elementaren Blöcke Dimer und Tetramer und behandelt sowohl die spin-flüssigen Phase als auch die Tetramer-Dimer Phase.Die spin-flüssige Phase wird durch eine niederenergetische, effektive antiferromagnetische Heisenberg-Kette und hochenergetischen Dimeranregungen charakterisiert, die durch ein Magnetisierungsplateau bei 1 /3 charakterisiert wird.Die Tetramer-Dimer Phase besitzt einen zweifach (3N gerade) bzw.N /3-fach (3N ungerade) entarteten Grundzustand und weist Solitonen als elementare Anregungen auf.Das Verhalten wird auf zwei Pfaden im Phasendiagramm, die den Kosterlitz-ouless Phasenübergang überqueren, anhand der spezifischen Wärme untersucht.
In der vorliegenden Arbeit werden die thermischen Korrelationsfunktionen der Heisenbergkette
mit Hilfe des Formfaktorzugangs untersucht.
Bei dieser Methode werden die Korrelatoren in
ihrer Spektraldarstellung bezuglich der Eigenzustande der Quantentransfermatrix betrachtet.
Die resultierende Formfaktorreihe ist eine Summe exponentiell zerfallender Terme
und liefert somit in naturlicher Weise die Abstandsasymptotik der Korrelationsfunktionen bei endlicher Temperatur.
Jeder Term ist charakterisiert durch eine Korrelationslange und eine Amplitude.
Fur letztere werden zu Beginn der Arbeit neue, im Trotterlimes gultige analytische Ausdrucke angegeben.
Diese Ergebnisse werden im weiteren Verlauf im Tieftemperaturlimes analysiert.
In der masselosen Phase stimmt die Form der Asymptotik mit den Vorhersagen der konformen Feldtheorie
bzw. Tomonaga-Luttinger-Flussigkeitstheorie uberein. Zusatzlich ergeben sich exakte Ausdrucke fur die nicht-universellen Amplituden,
die numerisch ausgewertet werden konnen.
In der massiven Phase ergibt sich eine im Vergleich zum Vertex-Operator-Zugang aquivalente, jedoch strukturell
deutlich einfachere Formfaktorentwicklung, wodurch erstmals Beitrage von vier und mehr Spinonen
zu Korrelationsfunktionen berechnet werden konnen.
Diese Dissertation beschaftigt sich mit der Frage, inwiefern es moglich ist, Aussagen uber glo-
bale Eigenschaften eines komplexen Vielteilchensystems im thermodynamischen Limes aus der
Sicht einer lokalen Beschreibung seines aktuellen Zustandes zu treffen. Im Besonderen werden
Tensornetzwerkdarstellungen von klassischen oder Quantenzustanden verwendet, um ein- oder
zweidimensionale, stark korrelierte Vielteilchensysteme im Gleich- oder Ungleichgewicht zu
untersuchen. Dabei wird der Fokus auf Matrixproduktzustande (MPS) gelegt, einer speziell fur
eindimensionale Quantengitter geeignete Variante von Tensornetzwerken. Die lokalen Tensoren
als Bausteine solch einer Beschreibung werden verwendet, um lokale Objekte oder Grosen zu
konstruieren, anhand derer Aussagen uber generelle globale Eigenschaften des Systems getrof-
fen werden konnen.
Als gute Grundlage solcher Untersuchungen wird zunachst ein neuartiger und effizienter
Algorithmus fur die Optimierung einer MPS-Grundzustandsnaherung fur stark korrelierte ein-
dimensionale Spinketten im thermodynamischen Limes vorgestellt. Es wird gezeigt, dass dieser
Algorithmus bestehende Methoden in puncto Geschwindigkeit und Genauigkeit der Ergebnisse
bei weitem ubertrifft.
Mit dieser Methode errechnete Grundzustandsnaherungen werden nun verwendet, um die
aus den elementaren Tensoren konstruierte MPS-Transfermatrix zu untersuchen. Eine Betrach-
tung ihres Eigenspektrums zeigt verbluffende Verbindungen zwischen statischen Korrelations-
funktionen im Grundzustand und elementaren Anregungen eines Systems. Im Speziellen kon-
nen die Impulse und die Grose der Minima in der Energiedispersion der elementaren Anre-
gungen sehr genau uber die dominanten Eigenwerte der Transfermatrix bestimmt werden. Man
kann daher Informationen uber angeregte Zustande eines Systems blos aus einer lokalen Dar-
stellung des Grundzustandes gewinnen.
Des weiteren wird gezeigt, dass sich die Existenz von symmetriebrechenden Phasenuber-
gangen in einem bestimmten physikalischen System auf die Geometrie der konvexen Menge
aller moglichen reduzierten Dichtematrizen in diesem System zuruckfuhren lasst. Nichtanalyti-
zitaten auf der Oberflache solcher Mengen signalisieren das Auftreten von Symmetriebrechung
und eines zugehorigen (lokalen) Ordnungsparameters. Die Frage, ob ein System Symmetriebre-
chung zeigt, lasst sich daher uber eine Menge von lokalen Objekten (namlich den reduzierten
Dichtematrizen) beantworten.
Zu guter Letzt wird eine Variante des neu entwickelten Grundzustandsalgorithmus – ad-
aptiert fur die Berechnung reeller Zeitentwicklung – dazu verwendet, um dynamische Phasen-
ubergange in Spinketten mit langreichweitigen Wechselwirkungen im Rahmen eines globalen
Quenches zu untersuchen. Solche Phasenubergange zeigen charakteristische Nichtanalytizita-
ten in der Zeit in der Form von Zacken in der globalen Uberlagerung von zeitentwickeltem und
Ausgangszustand. Es wird gezeigt, dass diese Zacken von Kreuzungen im Spektrum der ge-
mischten Transfermatrix, welche aus den elementaren Tensoren einer MPS-Beschreibung bei-
der Zustande besteht, herruhren. Es ist also wiederholt ein Attribut eines lokalen Objektes, das
Zugang zu einer globalen Grose, namlich der Uberlappung zweier Quantenzustande, gewahrt.