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Nonequilibrium methods to treat vertex corrections in correlated electron systems

Olivier Simard

Published Apr 19, 2023• 0 citations
Publisher

Abstract

In systems of indistinguishable particles, correlations between the quantum degrees of freedom can give rise to collective modes where particles behave coherently together over some correlation length and time, thereby forming quasiparticles. One example of such quasiparticle would be the π-ton [66], describing the binding of two particle-hole pairs via the exchange of momentum corresponding to the antiferromagnetic (AFM) wave vector. These quasiparticles would emerge in the vicinity of an AFM ordering instability [66, 119, 120] and nonlocal correlations are crucial to describe them. Especially, in systems out of equilibrium, nonlocality can give rise to prethermal states wherein the distribution function can be momentum-dependent [92, 119], and nonthermal exotic physics can be observed and manipulated [40, 68, 79, 84, 93, 132, 147, 157–159]. To be able to model and simulate systems out of equilibrium is a challenge. A few numerical methods such as nonequilibrium Dynamical Mean Field Theory (DMFT) [44] have been used extensively [5]. Nonequilibrium DMFT is designed to treat nonperturbatively the local time-dependent single-particle correlations. Since phenomena such as quantum criticality, high-Tc superconductivity or the creation of π-tons via light-matter coupling stem from nonlocal two-particle correlations, one needs to resort to diagrammatic extensions to DMFT [103] and other methods to effectively describe them, such as the post-processing DMFT treatment of vertex corrections, which will be introduced. The Two-Particle Self-Consistent approach (TPSC) and its variants figure among those methods that include nonlocal two-particle and single-particle correlations in a self-consistent way [121, 122]. TPSC and its variants have the ability to capture the effect of the growing spin fluctuations (paramagnons) in the self-energy when close to amagnetic phase transition leading to the breakdown of the Fermi-liquid quasiparticles at the Fermi level: this would mark the onset of a pseudo-gap [145, 152]. It fulfils the Mermin-Wagner theorem in two dimensions, the Pauli principle, and various two-particle local sum-rules [152]. In the works embodied in this thesis, numerical methods have been designed to access nonequilibrium regimes, by changing model parameters across time, allowing for nonlocal correlations to be properly included. With these new algorithms at hand, the π-tons were studied in the optical conductivity and magnetic response [119, 120] as well as spin and charge fluctuations in the 2D and 3D single-band Hubbard model [121, 122]. It is demonstrated by means of those methods that nonlocal two-particle vertex corrections can underpin prethermal states and could generate transient nonthermal states such as low-energy charge excitations associated with nonthermal negative temperatures. It is also shown that states lying close to the Fermi level control the thermalization timescale and that lattice hopping quenches changing the unit-cell dimensionality could allow one to play around with the charge and spin scattering channels.

DOI
10.51363/unifr.sth.2023.007

Related papers

Exact quantum Monte Carlo methods for correlated electron systems

D. Rost

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.

•Jan 1, 2015•0 citations

Dynamical mean field theory extension to the nonequilibrium two-particle self-consistent approach

Olivier Simard, Philipp Werner

Nonlocal correlations play an essential role in correlated electron systems, especially in the vicinity of phase transitions and crossovers, where two-particle correlation functions display a distinct momentum dependence. In nonequilibrium settings, the effect of nonlocal correlations on dynamical phase transitions, prethermalization phenomena, and trapping in metastable states is not well understood. In this paper, we introduce a dynamical mean field theory (DMFT) extension to the nonequilibrium two-particle self-consistent (TPSC) approach, which allows to perform nonequilibrium simulations capturing short- and long-ranged nonlocal correlations in the weak-, intermediate-, and strong-correlation regimes. The method self-consistently computes local spin and charge vertices, from which a momentum-dependent self-energy is constructed. Replacing the local part of the self-energy by the DMFT result within this self-consistent scheme provides an improved description of local correlation effects. We explain the details of the formalism and the implementation, and demonstrate the versatility of DMFT+TPSC with interaction quenches and dimensional crossovers in the Hubbard model.

arXiv:2302.14134•Physical review. B./Physical review. B•Jun 27, 2023•9 citations

Novel algorithms for strongly correlated quantum systems in and out of equilibrium

Alice Moutenet

Nouveaux algorithmes pour l’étude des propriétés d’équilibre et hors d’équilibre des systèmes quantiques fortement corrélés Quel est le point commun entre les étoiles formant une galaxie, les gouttes d'eau s'écoulant dans une rivière, et les électrons d'une céramique superconductrice lévitant au-dessus d'un aimant ? Tous ces systèmes ne peuvent être décrits par le mouvement isolé d'une seule de leurs composantes. C'est l'ensemble des particules et de leurs interactions qui fait émerger leurs singulières propriétés : on parle du problème à N corps.Dans cette Thèse, nous nous intéressons aux propriétés des systèmes d'électrons fortement corrélés, dont la physique est gouvernée par les principes de la mécanique quantique. Les méthodes analytiques étant rapidement limitées, nous développons de nouvelles approches numériques afin de quantifier précisément les propriétés de matériaux dans lesquels les interactions entre particules deviennent importantes.Nous nous intéressons tout d'abord aux propriétés d'équilibre de la pérovskite Sr2IrO4, un matériau structurellementéquivalent au cuprate supraconducteur La2CuO4. Nous mettons en évidence l'existence d'un pseudogapet décrivons la structure électronique de ce matériau en fonction du dopage.Nous développons ensuite des extensions aux algorithmes de Monte Carlo déterminantaux pour l'étude de quantités dynamiquescomme l'énergie propre, et nous montrons qu'il est possible de regrouper un nombre factoriel de diagrammes en une somme de déterminants, réduisantainsi fortement le problème de signe fermionique.Dans un deuxième temps, nous décrivons les systèmes fortement corrélés hors d'équilibre.Nous commençons par revisiter le Monte Carlo diagrammatique en temps réel dans une nouvelle base qui permet aux diagrammes du vide de s'annulerdirectement. Au cours d'un échantillonnage statistique, ceci permetd'atteindre la limite de long temps nécessaire à l'étude des états stationnaires des systèmes hors d'équilibre.Pour terminer, nous étudions la transition métal-isolant induite par un champ électrique de Ca2RuO4, qui coexiste avec une transition structurelle.Un algorithme basé sur l'approximation sans croisement nous permettent de calculer le courant en fonction du champ crystallin dans ce matériauet de comparer nos résultats aux données expérimentales.

•Jul 3, 2020•0 citations

Nonlocal corrections to dynamical mean-field theory from the two-particle self-consistent method

N. Martin, C. Gauvin-Ndiaye, A.–M. S. Tremblay

Theoretical methods that are accurate for both short-distance observables and long-wavelength collective modes are still being developed for the Hubbard model. Here, we benchmark an approach that combines dynamical mean-field theory (DMFT) observables with the two-particle self-consistent theory (TPSC). This offers a way to include non-local correlations in DMFT while also improving TPSC. The benchmarks are published diagrammatic quantum Monte Carlo results for the two-dimensional square lattice Hubbard model with nearest-neighbor hopping. This method ($\mathrm{TPSC}+\mathrm{DMFT}$) is relevant for weak to intermediate interaction, satisfies the local Pauli principle, and allows us to compute a spin susceptibility that satisfies the Mermin-Wagner theorem. The DMFT double occupancy determines the spin and charge vertices through local spin and charge sum rules. The TPSC self-energy is also improved by replacing its local part with the local DMFT self-energy. With this method, we find improvements for both spin and charge fluctuations and for the self-energy. We also find that the accuracy check developed for TPSC is a good predictor of deviations from benchmarks for this model. $\mathrm{TPSC}+\mathrm{DMFT}$ can be used in regimes where quantum Monte Carlo is inaccessible. In addition, this method paves the way to multiband generalizations of TPSC that could be used in advanced electronic structure codes that include DMFT.

arXiv:2211.01919•Physical review. B./Physical review. B•Feb 28, 2023•14 citations

High-Tc superconductivity studied by diagrammatic extensions of the dynamical mean field theory

基治 北谷

While it is over 30 years since the high-T c superconductor was discovered, the cuprates have attracted great interests in many scientific fields.Understanding high-T c is one of the most challenging issues in the condensed matter theory.The mechanism of the superconductivity in these materials is still not fully understood, and continues to be discussed intensely.Specifically, the two-dimensional repulsive Hubbard model, which is a representative model for the cuprates, still has many questions, and many analytical and numerical methods have been proposed for studying the superconductivity, magnetism and other instabilities.In the present thesis, we propose to combine the non-perturbative dynamical mean field theory (DMFT) with the perturbative diagrammatic expansion techniques to treat the local correlation effects ("Mott physics") and momentum dependent pairing interaction (that produces the d-wave pairing superconductivity) to explore the superconductivity and various instabilities in the Hubbard model.First, we formulate the combination of the fluctuation exchange (FLEX) approximation and DMFT in a self-consistent manner in terms of the Luttinger-Ward functional for superconducting phases.The resultant phase diagram exhibits a clear T c dome structure against the band filling as observed experimentally, while in the ordinary FLEX, T c almost monotonically increases toward the half-filling.We trace the origin of the T c -dome back to a combined effect of the filling dependence of the local vertex correction and the filling dependence of the pairing interaction.As another effect inherent in the strongly correlated systems, we study a phase transition for the Pomeranchuk instability, where the four-fold rotational symmetry in the electronic structure on the tetragonal lattice is spontaneously broken into two-fold due to an interaction effect.We find that the Pomeranchuk instability is remarkably more sensitive to the Fermi surface warping than the superconducting T c dome.An interesting question is the effect of the distorted Fermi surface due to the Pomeranchuk instability on the superconductivity, and we have revealed that the gap function is slightly changed from ordinary d-wave pairing to (d+s)-wave.Furthermore, we find that the Fermi surface distortion can enhance the superconducting T c in frustrated systems.i Finally, we consider the extension of the DMFT vertex to study the vertex correction effect on nonlocal self-energy and the pairing interaction.For this purpose, we employ the DΓA (dynamical vertex approximation) formalism, which is extended here to accommodate superconducting phases.For the Hubbard model we obtain the T c -dome due to a combined effect as in the FLEX+DMFT case, but the transition temperature is reduced by the vertex correction.We also find that the pairing interaction is strongly screened by the vertex correction effect.ii

•Mar 23, 2017•0 citations

Path integral methods for strong non-local correlations

T. Ribic

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit effektiven Feynman-diagrammatischen Methoden für die Beschreibung starker elektronischer Korrelationseffekte in Festkörpern. Exakte numerische Lösungen für wechselwirkende Systeme mit mehr als ein paar Elektronen liegen weit außerhalb der Reichweite heute verfügbarer rechnerischer Ressourcen, wodurch Näherungsmethoden notwendig werden. Effektive Feynman-diagrammatische Methoden wie die Dynamische Vertex Approximation werden oft auf einfache Referenzmodelle angewandt, welche numerisch behandelt werden können. Aus diesen Referenzmodellen werden diagrammatische Größen bestimmt und als Näherung für ihre jeweiligen Gegenstücke im eigentlichen System verwendet. Bisher beschränkten sich derartige Methoden zumeist auf effektive Einteilchenund Zweiteilchen-Diagramme. Diese Arbeit erweitert dieses Wissen um einen Ausdruck für n-Teilchen Vertices (Korrelatoren) für das Falicov-Kimball Modell für beliebige Zahlen n. Dreiteilchen-Diagramme für das Falicov-Kimball und Hubbard Modell wurden versuchsweise ausgewertet und zeigten relevante Korrekturen zu konventionellen Zweiteilchen-Rechnungen. Zusätzlich wurde eine toplogische Klassifikation von Dreiteilchen-Diagrammen vorgenommen, wodurch ein Algorithmus zur Bestimmung des grundlegendsten Dreiteilchen-Diagramms, der vollständig irreduziblen Dreiteilchen-Vertex, angegeben werden konnte. Schließlich wurde der Effekt von äußerer Selbstkonsistenz für das Hubbard Modell im dual fermion Zugang untersucht. Dadurch wird ein besseres Verständnis für die Wahl eines Referenzmodells ermöglicht. Wenig überraschend stellt man fest, dass die Wahl des Referenzmodells einen großen Einfluss auf die theoretische Beschreibung korrelierter Elektronensysteme hat.

•Sep 1, 2018•4 citations
In systems of indistinguishable particles, correlations between the quantum degrees of freedom can give rise to collective modes where particles behave coherently together over some correlation length and time, thereby forming quasiparticles. One example of such quasiparticle would be the π-ton [66], describing the binding of two particle-hole pairs via the exchange of momentum corresponding to the antiferromagnetic (AFM) wave vector. These quasiparticles would emerge in the vicinity of an AFM ordering instability [66, 119, 120] and nonlocal correlations are crucial to describe them. Especially, in systems out of equilibrium, nonlocality can give rise to prethermal states wherein the distribution function can be momentum-dependent [92, 119], and nonthermal exotic physics can be observed and manipulated [40, 68, 79, 84, 93, 132, 147, 157–159]. To be able to model and simulate systems out of equilibrium is a challenge. A few numerical methods such as nonequilibrium Dynamical Mean Field Theory (DMFT) [44] have been used extensively [5]. Nonequilibrium DMFT is designed to treat nonperturbatively the local time-dependent single-particle correlations. Since phenomena such as quantum criticality, high-Tc superconductivity or the creation of π-tons via light-matter coupling stem from nonlocal two-particle correlations, one needs to resort to diagrammatic extensions to DMFT [103] and other methods to effectively describe them, such as the post-processing DMFT treatment of vertex corrections, which will be introduced. The Two-Particle Self-Consistent approach (TPSC) and its variants figure among those methods that include nonlocal two-particle and single-particle correlations in a self-consistent way [121, 122]. TPSC and its variants have the ability to capture the effect of the growing spin fluctuations (paramagnons) in the self-energy when close to amagnetic phase transition leading to the breakdown of the Fermi-liquid quasiparticles at the Fermi level: this would mark the onset of a pseudo-gap [145, 152]. It fulfils the Mermin-Wagner theorem in two dimensions, the Pauli principle, and various two-particle local sum-rules [152]. In the works embodied in this thesis, numerical methods have been designed to access nonequilibrium regimes, by changing model parameters across time, allowing for nonlocal correlations to be properly included. With these new algorithms at hand, the π-tons were studied in the optical conductivity and magnetic response [119, 120] as well as spin and charge fluctuations in the 2D and 3D single-band Hubbard model [121, 122]. It is demonstrated by means of those methods that nonlocal two-particle vertex corrections can underpin prethermal states and could generate transient nonthermal states such as low-energy charge excitations associated with nonthermal negative temperatures. It is also shown that states lying close to the Fermi level control the thermalization timescale and that lattice hopping quenches changing the unit-cell dimensionality could allow one to play around with the charge and spin scattering channels.
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.
Nonlocal correlations play an essential role in correlated electron systems, especially in the vicinity of phase transitions and crossovers, where two-particle correlation functions display a distinct momentum dependence. In nonequilibrium settings, the effect of nonlocal correlations on dynamical phase transitions, prethermalization phenomena, and trapping in metastable states is not well understood. In this paper, we introduce a dynamical mean field theory (DMFT) extension to the nonequilibrium two-particle self-consistent (TPSC) approach, which allows to perform nonequilibrium simulations capturing short- and long-ranged nonlocal correlations in the weak-, intermediate-, and strong-correlation regimes. The method self-consistently computes local spin and charge vertices, from which a momentum-dependent self-energy is constructed. Replacing the local part of the self-energy by the DMFT result within this self-consistent scheme provides an improved description of local correlation effects. We explain the details of the formalism and the implementation, and demonstrate the versatility of DMFT+TPSC with interaction quenches and dimensional crossovers in the Hubbard model.
Nouveaux algorithmes pour l’étude des propriétés d’équilibre et hors d’équilibre des systèmes quantiques fortement corrélés Quel est le point commun entre les étoiles formant une galaxie, les gouttes d'eau s'écoulant dans une rivière, et les électrons d'une céramique superconductrice lévitant au-dessus d'un aimant ? Tous ces systèmes ne peuvent être décrits par le mouvement isolé d'une seule de leurs composantes. C'est l'ensemble des particules et de leurs interactions qui fait émerger leurs singulières propriétés : on parle du problème à N corps.Dans cette Thèse, nous nous intéressons aux propriétés des systèmes d'électrons fortement corrélés, dont la physique est gouvernée par les principes de la mécanique quantique. Les méthodes analytiques étant rapidement limitées, nous développons de nouvelles approches numériques afin de quantifier précisément les propriétés de matériaux dans lesquels les interactions entre particules deviennent importantes.Nous nous intéressons tout d'abord aux propriétés d'équilibre de la pérovskite Sr2IrO4, un matériau structurellementéquivalent au cuprate supraconducteur La2CuO4. Nous mettons en évidence l'existence d'un pseudogapet décrivons la structure électronique de ce matériau en fonction du dopage.Nous développons ensuite des extensions aux algorithmes de Monte Carlo déterminantaux pour l'étude de quantités dynamiquescomme l'énergie propre, et nous montrons qu'il est possible de regrouper un nombre factoriel de diagrammes en une somme de déterminants, réduisantainsi fortement le problème de signe fermionique.Dans un deuxième temps, nous décrivons les systèmes fortement corrélés hors d'équilibre.Nous commençons par revisiter le Monte Carlo diagrammatique en temps réel dans une nouvelle base qui permet aux diagrammes du vide de s'annulerdirectement. Au cours d'un échantillonnage statistique, ceci permetd'atteindre la limite de long temps nécessaire à l'étude des états stationnaires des systèmes hors d'équilibre.Pour terminer, nous étudions la transition métal-isolant induite par un champ électrique de Ca2RuO4, qui coexiste avec une transition structurelle.Un algorithme basé sur l'approximation sans croisement nous permettent de calculer le courant en fonction du champ crystallin dans ce matériauet de comparer nos résultats aux données expérimentales.
Theoretical methods that are accurate for both short-distance observables and long-wavelength collective modes are still being developed for the Hubbard model. Here, we benchmark an approach that combines dynamical mean-field theory (DMFT) observables with the two-particle self-consistent theory (TPSC). This offers a way to include non-local correlations in DMFT while also improving TPSC. The benchmarks are published diagrammatic quantum Monte Carlo results for the two-dimensional square lattice Hubbard model with nearest-neighbor hopping. This method (TPSC+DMFT\mathrm{TPSC}+\mathrm{DMFT}TPSC+DMFT) is relevant for weak to intermediate interaction, satisfies the local Pauli principle, and allows us to compute a spin susceptibility that satisfies the Mermin-Wagner theorem. The DMFT double occupancy determines the spin and charge vertices through local spin and charge sum rules. The TPSC self-energy is also improved by replacing its local part with the local DMFT self-energy. With this method, we find improvements for both spin and charge fluctuations and for the self-energy. We also find that the accuracy check developed for TPSC is a good predictor of deviations from benchmarks for this model. TPSC+DMFT\mathrm{TPSC}+\mathrm{DMFT}TPSC+DMFT can be used in regimes where quantum Monte Carlo is inaccessible. In addition, this method paves the way to multiband generalizations of TPSC that could be used in advanced electronic structure codes that include DMFT.
While it is over 30 years since the high-T c superconductor was discovered, the cuprates have attracted great interests in many scientific fields.Understanding high-T c is one of the most challenging issues in the condensed matter theory.The mechanism of the superconductivity in these materials is still not fully understood, and continues to be discussed intensely.Specifically, the two-dimensional repulsive Hubbard model, which is a representative model for the cuprates, still has many questions, and many analytical and numerical methods have been proposed for studying the superconductivity, magnetism and other instabilities.In the present thesis, we propose to combine the non-perturbative dynamical mean field theory (DMFT) with the perturbative diagrammatic expansion techniques to treat the local correlation effects ("Mott physics") and momentum dependent pairing interaction (that produces the d-wave pairing superconductivity) to explore the superconductivity and various instabilities in the Hubbard model.First, we formulate the combination of the fluctuation exchange (FLEX) approximation and DMFT in a self-consistent manner in terms of the Luttinger-Ward functional for superconducting phases.The resultant phase diagram exhibits a clear T c dome structure against the band filling as observed experimentally, while in the ordinary FLEX, T c almost monotonically increases toward the half-filling.We trace the origin of the T c -dome back to a combined effect of the filling dependence of the local vertex correction and the filling dependence of the pairing interaction.As another effect inherent in the strongly correlated systems, we study a phase transition for the Pomeranchuk instability, where the four-fold rotational symmetry in the electronic structure on the tetragonal lattice is spontaneously broken into two-fold due to an interaction effect.We find that the Pomeranchuk instability is remarkably more sensitive to the Fermi surface warping than the superconducting T c dome.An interesting question is the effect of the distorted Fermi surface due to the Pomeranchuk instability on the superconductivity, and we have revealed that the gap function is slightly changed from ordinary d-wave pairing to (d+s)-wave.Furthermore, we find that the Fermi surface distortion can enhance the superconducting T c in frustrated systems.i Finally, we consider the extension of the DMFT vertex to study the vertex correction effect on nonlocal self-energy and the pairing interaction.For this purpose, we employ the DΓA (dynamical vertex approximation) formalism, which is extended here to accommodate superconducting phases.For the Hubbard model we obtain the T c -dome due to a combined effect as in the FLEX+DMFT case, but the transition temperature is reduced by the vertex correction.We also find that the pairing interaction is strongly screened by the vertex correction effect.ii
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit effektiven Feynman-diagrammatischen Methoden für die Beschreibung starker elektronischer Korrelationseffekte in Festkörpern. Exakte numerische Lösungen für wechselwirkende Systeme mit mehr als ein paar Elektronen liegen weit außerhalb der Reichweite heute verfügbarer rechnerischer Ressourcen, wodurch Näherungsmethoden notwendig werden. Effektive Feynman-diagrammatische Methoden wie die Dynamische Vertex Approximation werden oft auf einfache Referenzmodelle angewandt, welche numerisch behandelt werden können. Aus diesen Referenzmodellen werden diagrammatische Größen bestimmt und als Näherung für ihre jeweiligen Gegenstücke im eigentlichen System verwendet. Bisher beschränkten sich derartige Methoden zumeist auf effektive Einteilchenund Zweiteilchen-Diagramme. Diese Arbeit erweitert dieses Wissen um einen Ausdruck für n-Teilchen Vertices (Korrelatoren) für das Falicov-Kimball Modell für beliebige Zahlen n. Dreiteilchen-Diagramme für das Falicov-Kimball und Hubbard Modell wurden versuchsweise ausgewertet und zeigten relevante Korrekturen zu konventionellen Zweiteilchen-Rechnungen. Zusätzlich wurde eine toplogische Klassifikation von Dreiteilchen-Diagrammen vorgenommen, wodurch ein Algorithmus zur Bestimmung des grundlegendsten Dreiteilchen-Diagramms, der vollständig irreduziblen Dreiteilchen-Vertex, angegeben werden konnte. Schließlich wurde der Effekt von äußerer Selbstkonsistenz für das Hubbard Modell im dual fermion Zugang untersucht. Dadurch wird ein besseres Verständnis für die Wahl eines Referenzmodells ermöglicht. Wenig überraschend stellt man fest, dass die Wahl des Referenzmodells einen großen Einfluss auf die theoretische Beschreibung korrelierter Elektronensysteme hat.