Die vorliegende Arbeit stellt eine rein theoretische Untersuchung dar, deren Hauptziel darin besteht, die Theorie der elektronischen Struktur vom Standpunkt der Quantenfeld- und Vielteilchentheorie aus zu entwickeln. Dabei habe ich versucht, alle Konzepte und Definitionen im quantenfeldtheoretischen Rahmen einzuf\"{u}hren.Die Einteilchenn\"{a}herung hingegen wird nur als Spezialfall behandelt, spielt jedoch keine konzeptionelle Rolle. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit besteht darin, Analogien zwischen der ``Electronic Structure Theory'' und anderen Gebieten der Physik zu erhellen. Das konkrete Thema dieser Dissertation ist die Anwendung von Greenschen Funktionen auf die Quantentheorie der Materialeigenschaften des Festk\"{o}rpers, insbesondere der elektronischen Struktur. Die Arbeit ist in zwei Teile gegliedert: (i) eine Zusammenfassung und Diskussion des allgemeinen vielteilchen- und quantenfeldtheoretischen Rahmens und (ii) die Theorie der elektronischen Green-Funktionen.
Die vorliegende Arbeit stellt eine rein theoretische Untersuchung dar, deren Hauptziel darin besteht, die Theorie der elektronischen Struktur vom Standpunkt der Quantenfeld- und Vielteilchentheorie aus zu entwickeln. Dabei habe ich versucht, alle Konzepte und Definitionen im quantenfeldtheoretischen Rahmen einzuf"{u}hren.Die Einteilchenn"{a}herung hingegen wird nur als Spezialfall behandelt, spielt jedoch keine konzeptionelle Rolle. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit besteht darin, Analogien zwischen der ``Electronic Structure Theory'' und anderen Gebieten der Physik zu erhellen. Das konkrete Thema dieser Dissertation ist die Anwendung von Greenschen Funktionen auf die Quantentheorie der Materialeigenschaften des Festk"{o}rpers, insbesondere der elektronischen Struktur. Die Arbeit ist in zwei Teile gegliedert: (i) eine Zusammenfassung und Diskussion des allgemeinen vielteilchen- und quantenfeldtheoretischen Rahmens und (ii) die Theorie der elektronischen Green-Funktionen.
Stark korrelierte Materialien sind solche, in denen die Abstoßung zwischen Elektronen nur unzureichend abgeschirmt ist. Dadurch entsteht eine Vielzahl bemerkenswerter Eigenschaften, als Beispiel sei die Hochtemperatur-Supraleitung genannt. Auf theoretischer Seite erfordern elektronische Korrelationen eine differenzierte Modellierung dieser Wechselwirkung, die über Standardmethoden wie semilokale Dichtefunktionaltheorie (DFT) hinausgeht. Daher verspricht ein verbessertes Verständnis solcher Materialien nicht nur ungeahnte technische Anwendungen; es zu erreichen ist auch eine der großen Aufgaben der zeitgenössischen Physik. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich einerseits mit Methoden der theoretischen Festkörperphysik für stark korrelierte Materialien, insbesondere LDA+DMFT, die Verbindung von Dichtefunktionaltheorie mit dynamischer Molekularfeld-Theorie (DMFT). Als Brückenschlag zwischen diesen beiden Ansätzen muss eine minimale Basis aus lokalisierten Funktionen aufgestellt werden, was hier mithilfe maximal-lokalisierter Wannierfunktionen (MLWF) gelingt. Es werden zwei Computerprogramme beschrieben, die Teilaufgaben des LDA+DMFT-Verfahrens übernehmen, und die im Rahmen der Dissertation weiterentwickelt und zur Veröffentlichung gebracht wurden: (i) Wien2Wannier stellt eine Schnittstelle bereit zwischen dem DFT-Paket Wien2k und dem MLWF-Paket Wannier90. (ii) Woptic berechnet die optische Leitfähigkeit, die statische Leitfähigkeit, und den Seebeck-Koeffizienten aus einer LDA+DMFT-Rechnung. Da die Beiträge zu diesen Größen typischerweise innerhalb kleiner Teile der Brillouinzone lokalisiert sind, kommt eine adaptive k-Integration zum Einsatz. Die genannten Methoden werden darüber hinaus auf oxidische Heterostrukturen angewandt, insbesondere auf LaVO3
Die theoretische und experimentelle Untersuchung stark korrelierter Quantensysteme im und ausserhalb des Gleichgewichts ist in den letzten Jahren zu einem zentralen Forschungsschwerpunkt in der Physik der kondensierten Materie geworden. In dieser Habilitationsschrift werden anhand eigener Beiträge aktuelle Entwicklungen diskutiert und ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen des Feldes gegeben. Es wird dabei ein direkter Bezug von theoretischen Zugängen zu aktuellen Experimenten mit ultrakalten Gasen und mit stark korrelierten Materialien genommen. Insbesondere werden mikroskopische Modelle diskutiert, die zur Modellierung stark korrelierter Materialien (wie z.B. Quantenmagnete) herangezogen werden. Das zweite Thema der Schrift behandelt die Realisierung und Untersuchung von Quantenvielteilcheneffekten in aktuellen Experimenten mit ultrakalten Gasen durch sogenannte Quantensimulatoren. Ziel ist es, aufgrund theoretischer Überlegungen Vorhersagen zur Emulation stark korrelierter Systeme zu treffen und, basierend auf numerisch exakten Simulationen, Vorhersagen für die Experimente zu treffen. Da solche Experimente insbesondere auch ausserhalb des Gleichgewichts durchgeführt werden können, knüpft dies direkt an das dritte Thema der Schrift an, in dem die Physik von Quantenvielteilchensystemen ausserhalb des Gleichgewichts untersucht wird. Dazu gehören die Behandlung des Relaxationsverhaltens nach sogenannten Quantum Quenches und Fragestellungen zum Transport, die hier anhand von Situationen auf optischen Gittern diskutiert werden. Die drei Themenbereiche werden überspannt von der Fragestellung, wie man neuartige Quantenzustände realisieren kann, und wie man diese charakterisieren kann. Ausserhalb des Gleichgewichts erwächst die Fragestellung, ob durch das Relaxationsverhalten ungewöhnliche Zustände erzeugt werden können. Wie in dieser Arbeit diskutiert, ergeben sich in der Tat unerwartete Ergebnisse, wie die Bildung negativer Temperaturen, oder das Anwachsen der Teilchendichte verursacht durch repulsive Wechselwirkungen. Im Gleichgewicht kann das Vorhandensein starker Magnetfelder zu interessantem Verhalten führen, wie anhand verschiedener Systeme diskutiert wird. Hervorzuheben sind hier die Bildung unkonventioneller Mott-Isolatoren, von Phasen mit 'spin-nematischer' Ordnung, und unkonventionelle Quantenphasenübergänge. Eine aktuelle Entwicklung der aktuellen Forschung behandelt die Bildung sogenannter topologischer Phasen, die nicht durch einen lokalen Ordnungsparameter beschrieben werden und sich somit der Charakterisierung im Rahmen der Landau-Theorie von Phasen und Phasenübergängen entziehen. Aktuelle Fragestellungen sind die Realisierung solcher Phasen im Vorhandensein von Wechselwirkungen, auch langreichweitiger Natur, wie sie in Quantensimulatoren mit polaren Molekülen in Erscheinung treten. In dieser Schrift wird diskutiert, wie diese Fragestellungen durch einen numerischen Zugang - die Dichtematrixrenormierungsgruppe - behandelt werden können und wie diese sehr flexible Methode zu interessanten Einsichten in die facettenreiche Physik stark korrelierter Quantensysteme führt.
Quantencomputer besitzen das Potenzial, um in naher Zukunft Probleme, die mit herkömmlichen Computern und Supercomputern nicht bewältigbar sind, zu lösen. Bisher ist die Umsetzung dieser Technologie in der Industrie noch in der Anfangsphase, wodurch der Einsatz von Quantencomputern bisher nur für Forschungsprojekte möglich ist. Dennoch ermöglichen es große IT-Unternehmen, interessierten Personen einen indirekten Zugang zu Quantencomputern über deren Services. Da die Technologien und Konzepte, auf denen Quantencomputern basieren, sehr umfangreich und komplex sind, ist es für interessierte Personen, die sich in diese neue Materie vertiefen wollen, oft schwierig, die Hauptkonzepte, die benötigt werden, um Quantencomputern zu verstehen, zu identifizieren und somit ein Grundverständnis von Quantencomputern zu erlangen. Aus diesem Grund besteht der Hauptzweck dieser Arbeit darin, die benötigten Grundkonzepte und Themen auf denen Quantencomputer aufbauen, zu identifizieren und auszuarbeiten. Hierfür werden die Konzepte von bekannten Lehrbüchern im Bereich Quantencomputer herangezogen und systematisch nach deren Wichtigkeit für das Verständnis von Quantencomputern gegliedert, aufgelistet und ausgearbeitet. Für den praktischen Teil der Arbeit werden zwei Quantenbeispiele anhand des zuvor erarbeiteten Wissens beschrieben und erweitert. Die zuvor identifizierten und beschriebenen Grundkonzepte werden anschließend grafisch mittels einer Concept-Map dargestellt, diese bietet einen systematischen Überblick über die einzelnen Konzepte und deren Abhängigkeiten zueinander. Der Vorteil in der Darstellung von Wissen mittels einer Concept-Map besteht darin, dass die Visualisierung der Verbindungen zwischen den einzelnen Konzepten hervorgehoben wird. Zusätzlich wird auf Basis des erarbeiteten Wissens ein Beispiel-Curriculum für eine Lehrveranstaltung, die das Ziel hat, die Grundkonzepte von Quantencomputern zu vermitteln, erstellt. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, dass die Konzepte, auf denen Quantencomputer aufbauen, in drei Grundkompetenzen unterteilt werden können. Zum einen die Kompetenz der linearen Algebra, in dem die meisten Konzepte und Themen bereits in einem vorangegangenen Studium behandelt wurden. Zum anderen die der Informatik-Konzepte, wobei hier wie bei der linearen Algebra das Verständnis im Bereich der Programmierung angenommen werden kann. Die Kompetenz der Quantenmechanik stützt sich auf die Konzepte, die von Quantencomputern genutzt wird und auf die Kompetenzen und das Wissen der beiden anderen Kompetenzen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass für das reine Verständnis von Quantencomputern und dem Replizieren von bereits erstellten Quantenalgorithmen eine große Anzahl an unterschiedlichen Konzepten benötigt wird. Für die Fähigkeit der Entwicklung von eigenen Quantenalgorithmen reicht das erarbeitet Wissen nicht aus, sondern wird als Grundwissen angesehen.
In dieser Arbeit betrachte ich Vielteilchen-Quantensysteme unter vier verschiedenen, jedoch nicht strikt trennbaren, Gesichtspunkten: Theorie der Green'schen Funktionen im Gleich- und Nichtgleichgewicht, exakte Diagonalisierung und verwandte Methoden aus der Quantenchemie, und dem klassische Ansätze mit den dazugehörigen Molekularfeldtheorien. Gleichgewichtsmethoden erlauben einen Einblick in die Nichtsgleichtsdynamik der Anregungen in Fermiflüssigkeiten, während der Zerfall von Anregungen in molekularen Systemen mithilfe von Quantenchemie beschrieben wird. Auf der anderen Seite lassen sich Näherungen, die Erhaltungssätze und positive Definitheit erfüllen, durch den Nichtgleichgewichtsformalismus der Green'schen Funktionen konstruieren. Für größere Systeme wird die semiklassische Reaktion auf das Einwirken elektromagnetischer Felder von den entsprechenden mikroskopischen Ausdrücken für die linearen und nichtlinearen Suszeptibilitäten hergeleitet.
Im Kern vertrete ich mit dieser Dissertation die These, dass es von grosser Bedeutung für verschiedene wissenschaftliche Disziplinen sein könnte, die in der Quantenphysik gewonnenen Erkenntnisse gründlich zur Kenntnis zu nehmen und dass, darüber hinaus, einige Prinzipien der Quantentheorie einigermassen direkt und erkenntnisbringend auf andere Gegenstandsbereiche übertragen werden können. Die Ergebnisse meiner Arbeit legen meines Erachtens nahe, dass im Falle einer solchen Rezeption der Quantenphysik nicht nur mit Wissenszuwachs und erweitertem Verständnis zu rechnen ist, sondern auch mit Veränderungen der Wissenschaftskultur, sowie der Kultur im Allgemeinen. Neben einer kurzen Behandlung des Observablen- und des Wahrscheinlichkeitsbegriffs fokussieren sich meine Untersuchungen vorrangig auf die Konzepte Komplementarität und Verschränkung. Hierbei ergeben sich u. a. die folgenden spezifischen Thesen: Im Bezug auf Observablen: - Der Observablenbegriff, der besagt, dass jedwede Aussage über den Zustand eines Quants nicht unabhängig von einer den Zustand probabilistisch verändernden Interaktion mit diesem Quant getroffen werden kann, gilt strengenommen auch für makroskopische Elements des Universums Im Bezug auf Wahrscheinlichkeit: - Die in der Quantenphysik vorgefundene und damit für die gesamte physikalische Realität in gewissem Mass gültige probabilistische Unvorhersagbarkeit von Ereignissen kann sowohl als Resultat eines absoluten Indeterminismus wie auch eines absoluten Determinismus interpretiert werden. - Die heute vorherrschende einseitige Deutung im Sinne eines absoluten Indeterminismus ist daher logisch nicht zu rechtfertigen und vermutlich eher kulturell bedingt. Im Bezug auf Komplementarität: - Das Verhältnis von subjektivem Bewusstsein und materiellem Körper als Beschreibungen eines Individuums ist strukturell isomorph zu dem Verhältnis von Welle und Teilchen als Beschreibungen eines Quants. - Ein Aspekt dieser Isomorphie ist, dass sich in beiden Fällen die jeweiligen Beschreibungen gegenseitig ausschliessen und sich weder aufeinander reduzieren noch in einer logisch kohärenten und rational fassbaren „Metabeschreibung“ verbinden lassen. - Stattdessen eignen sich für eine solche Metabeschreibung, z.B. der Konzeptualisierung einer den beiden Beschreibungen zugrunde liegenden und sie dadurch verbindenden „Realität“, nur rational nicht fassbare Beschreibungen, wie z.B. „Nichts“. - Dies impliziert eine unüberwindbare Beschränkung für jeden Versuch, mittels des Verstandes alleine, endgültige und eindeutige Erkenntnis über die Realität jenseits der Gegensätze zu gewinnen. - Dies wiederum dient als Hinweis auf die potentielle Unverzichtbarkeit von transrationalen (sog. akategorialen oder nichtdualen) Bewusstseinszuständen für einen umfassenden Bezug zur Realität und eine dementsprechend adäquate Interaktion mit ihr. - Die bewusste Auseinandersetzung mit o. g. Beschränkung des Verstandes und die Erkundung von möglichen ergänzenden Erkenntniswegen erscheint mir, vor allem in Anbetracht unserer gegenwärtig eher einseitig verstandesbetonten (Wissenschafts-) Kultur, von erheblicher Bedeutung zu sein. Im Bezug auf Verschränkung: - Die Phänomenologie bestimmter, bisher wissenschaftlich nicht abschliessend erklärbarer Gegebenheiten (wie z.B. telepathischer, präkognitiver und psychokinetischer Erfahrungen oder die berichtete Wirksamkeit verschiedener alternativmedizinischer Verfahren) deckt sich mit der Hypothese, dass es sich dabei um makroskopische Verschränkungseffekte analog zu denen in der Quantenphysik handelt. - Dies gilt insbesondere auch für die Nichtreproduzierbarkeit der genannten Phänomene unter experimentellen Bedingungen, da eine zuverlässige Reproduzierbarkeit einer Verletzung des für Verschränkungskorrelationen geltenden Signalübertragungsverbots entspräche. - Damit stellt sich u. a. die Frage, wie beweis- bzw. falsifikationsorientierte Wissenschaftskulturen mit der Tatsache verfahren sollen, dass potentiell reale und durchaus auch plausible Phänomene prinzipiell nicht experimentell reproduzierbar sein könnten. - Grundsätzlich ist es aufgrund der angestellten Überlegungen jedenfalls notwendig, die Möglichkeit der Faktizität der fraglichen Phänomene auch in Abwesenheit von wiederholbaren experimentellen Bestätigungen anzuerkennen. - Dies beinhaltet die Möglichkeit, dass Kategorien wie Bewusstsein, Bedeutung, Intention und Sinn via nicht-kausaler Korrelationen als strukturierende Kräfte in der physischen Realität wirken, zusätzlich zu den bisher bekannten kausalen Kräften. - Des Weiteren deutet es auf die Möglichkeit hin, dass das subjektive Erleben als eine unverzichtbare Instanz der Wahrheitsfindung neben der objektiven, oder zumindest intersubjektiv abstrahierten, Erkenntnis anerkannt werden muss. - Die Wahrnehmung und theoretische Aufarbeitung dieser Möglichkeiten ist, meiner Ansicht nach, von grosser Bedeutung für unsere gegenwärtige (Wissenschafts-)Kultur, insbesondere in kausalistisch ausgerichteten oder beweis- bzw. falsifikationsorientierten Forschungsgebieten. Neben der Herausarbeitung dieser und anderer Thesen soll meine Arbeit auch einen leicht zugänglichen und dennoch faktisch korrekten Überblick über die relevanten experimentellen Beobachtungen der Quantenphysik zur Verfügung stellen, um deren Rezeption in physikfernen Disziplinen zu erleichtern.
Das Anderson-Störstellenmodell (AIM) ist von grundlegender Bedeutung für die Untersuchung von Materialien und Modellen mit starken elektronischen Korrelationen. Es steht außerdem im Zentrum Feynman-diagrammatischer Methoden wie der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT) oder auch Erweiterungen zur DMFT, insbesondere was den numerischen Aufwand betrifft. Letztere quantifizieren sowohl lokaleals auch nicht-lokale elektronische Korrelationseffekte. Während lokale Korrelationseffekte in der DMFT durch Ein-Teilchen-Selbstenergien darstellbar sind, werden nicht-lokale Korrelationseffekte in diagrammatischen Erweiterungen zur DMFT aus Zwei-Teilchen-Vertexfunktionen berechnet. Diese beschreiben alle möglichen Streuungen zweier Teilchen im wechselwirkenden System. Allerdings besitzen sie auch eine wesentlich höhere Komplexität als die Ein-Teilchen-Selbstenergien. Quantenmechanische Monte-Carlo Simulationen in kontinuierlicher Zeit (CT-QMC) erlauben es, die unendliche Störungsreihe der Zustandssumme stochastisch aufzusummieren, und liefern somit numerische Lösungen des AIM in einem großen Parameterbereich. Eine besonders erwähnenswerte Klasse dieser Störstellenlöser, sogenannte CT-HYB Algorithmen, entwickeln die Zustandssumme als Störungsreihe im Hybridisierungsanteil des AIM. Die Formulierung basiert auf einer Stark-Kopplungs-Entwicklung und erlaubt eine Erweiterung auf Mehrband-Systeme. Dadurch wird eine Analyse elektronischer und magnetischer Eigenschaften korrelierter Materialien möglich. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Messung der Zwei-Teilchen-Greenschen Funktion innerhalb des Mehrband-CT-HYB Algorithmus. Die zusätzliche Orbitalabhängigkeit der lokalen Wechselwirkung führt zu einer grundlegend unterschiedlichen Struktur der Zwei-Teilchen-Greenschen Funktion im Gegensatz zu der Ein-Teilchen-Greenschen Funktion: Für SU(2)-symmetrische Wechselwirkungen beinhaltet die Zwei-Teilchen-Greensche Funktion Komponenten, welche der Struktur von Spin-Umklappund Paar-Hüpf-Termen entsprechen. Auch wenn Störstellen-Greensche Funktionen lokal definiert sind, wird in der traditionellen Formulierung von CT-HYB die Greensche Funktion aus der Störungsreihe der Zustandssumme, bestehend aus Hybridisierungsereignissen, berechnet. Daraus folgt ein intrinsischer Mangel in dem ursprünglichen Algorithmus alle Zwei-Teilchen-Greensche Funktionen zu berechnen. In dieser Arbeit wird daher Wurm-Sampling entwickelt um dies zu ermöglichen. Im Zusammenhang mit CT-HYB, wird hier stattdessen die unendliche Störungsreihe der Observable stochastisch aufsummiert. Dadurch kann einerseits die vollständige Zwei-Teilchen-Greensche Funktion gemessen werden, aber auch verbesserte Schätzer f ür verwandte Größen wie z.B. die Vertex-Asymptotik. Neben der Diskussion diagrammatischer Grundlagen des Wurm-Samplings, werden in dieser Arbeit außerdem die technischen Aspekte des Algorithmus erläutert. Der Zusammenhang zwischen den methodischen Überlegungen dieser Arbeit und der Physik wird in diversen Anwendungen hergestellt. Dabei werden Ein-Bandund Mehrband-Systeme im Bezug auf lokale und nicht-lokale Korrelationen diskutiert.