Development and applications of density matrix functional theory of generalized Hubbard Models

In dieser Doktorarbeit wird eine akkurate Methode zur Bestimmung von Grundzustandseigenschaften stark korrelierter Elektronen im Rahmen von Gittermodellen entwickelt und angewandt. In der Dichtematrix-Funktional-Theorie (LDFT, vom englischen lattice density functional theory) ist die Ein-Teilchen-Dichtematrix γ die fundamentale Variable. Auf der Basis eines verallgemeinerten Hohenberg-Kohn-Theorems ergibt sich die Grundzustandsenergie Egs[γgs] = min° E[γ] durch die Minimierung des Energiefunktionals E[γ] bezüglich aller physikalischer bzw. repräsentativer γ. Das Energiefunktional kann in zwei Beiträge aufgeteilt werden: Das Funktional der kinetischen Energie T[γ], dessen lineare Abhängigkeit von γ genau bekannt ist, und das Funktional der Korrelationsenergie W[γ], dessen Abhängigkeit von γ nicht explizit bekannt ist. Das Auffinden präziser Näherungen für W[γ] stellt die tatsächliche Herausforderung dieser These dar. Einem Teil dieser Arbeit liegen vorausgegangene Studien zu Grunde, in denen eine Näherung des Funktionals W[γ] für das Hubbardmodell, basierend auf Skalierungshypothesen und exakten analytischen Ergebnissen für das Dimer, hergeleitet wird. Jedoch ist dieser Ansatz begrenzt auf spin-unabhängige und homogene Systeme. Um den Anwendungsbereich von LDFT zu erweitern, entwickeln wir drei verschiedene Ansätze zur Herleitung von W[γ], die das Studium von Systemen mit gebrochener Symmetrie ermöglichen. Zuerst wird das bisherige Skalierungsfunktional erweitert auf Systeme mit Ladungstransfer. Eine systematische Untersuchung der Abhängigkeit des Funktionals W[γ] von der Ladungsverteilung ergibt ähnliche Skalierungseigenschaften wie für den homogenen Fall. Daraufhin wird eine Erweiterung auf das Hubbardmodell auf bipartiten Gittern hergeleitet und an sowohl endlichen als auch unendlichen Systemen mit repulsiver und attraktiver Wechselwirkung angewandt. Die hohe Genauigkeit dieses Funktionals wird aufgezeigt. Es erweist sich jedoch als schwierig, diesen Ansatz auf komplexere Systeme zu übertragen, da bei der Berechnung von W[γ] das System als ganzes betrachtet wird. Um dieses Problem zu bewältigen, leiten wir eine weitere Näherung basierend auf lokalen Skalierungseigenschaften her. Dieses Funktional ist lokal bezüglich der Gitterplätze formuliert und ist daher anwendbar auf jede Art von geordneten oder ungeordneten Hamiltonoperatoren mit lokalen Wechselwirkungen. Als Anwendungen untersuchen wir den Metall-Isolator-Übergang sowohl im ionischen Hubbardmodell in einer und zwei Dimensionen als auch in eindimensionalen Hubbardketten mit nächsten und übernächsten Nachbarn. Schließlich entwickeln wir ein numerisches Verfahren zur Berechnung von W[γ], basierend auf exakten Diagonalisierungen eines effektiven Vielteilchen-Hamilton-Operators, welcher einen von einem effektiven Medium umgebenen Cluster beschreibt. Dieser effektive Hamiltonoperator hängt von der Dichtematrix γ ab und erlaubt die Herleitung von Näherungen an W[γ], dessen Qualität sich systematisch mit steigender Clustergröße verbessert. Die Formulierung ist spinabhängig und ermöglicht eine direkte Verallgemeinerung auf korrelierte Systeme mit mehreren Orbitalen, wie zum Beispiel auf den spd-Hamilton-Operator. Darüber hinaus berücksichtigt sie die Effekte kurzreichweitiger Ladungs- und Spinfluktuationen in dem Funktional. Für das Hubbardmodell wird die Genauigkeit der Methode durch Vergleich mit Bethe-Ansatz-Resultaten (1D) und Quanten-Monte-Carlo-Simulationen (2D) veranschaulicht. Zum Abschluss wird ein Ausblick auf relevante zukünftige Entwicklungen dieser Theorie gegeben.

Smallholder pig production systems along a periurban-rural gradient in the Western provinces of the Democratic Republic of the Congo

In the Democratic Republic of the Congo (DRC), pigs are raised almost exclusively by smallholders either in periurban areas of major cities such as Kinshasa or in rural villages. Unfortunately, little information is available regarding pig production in the Western part of the DRC, wherefore a survey was carried out to characterize and compare 319 pig production systems in their management and feeding strategies, along a periurban - rural gradient inWestern provinces of the DRC. Pig breeding was the main source of income (43%) and half of respondents were active in mixed pig and crop production, mainly vegetable garden. Depending on the location, smallholders owned on average 18 pigs, including four sows. Piglet mortality rate varied from 9.5 to 21.8% while average weaned age ranged between 2.2 and 2.8 months. The major causes of mortality reported by the farmers were African swine fever 98 %, swine erysipelas (60 %), erysipelas trypanosomiasis (31 %), swine worm infection (17 %), and diarrhoea (12 %). The majority of the pigs were reared in pens without free roaming and fed essentially with locally available by-products and forage plants whose nature varied according with the location of the farm. The pig production systems depended on the local environment; particularly in terms of workforces, herd structure and characteristics, production parameters, pig building materials, selling price and in feed resources. It can be concluded that an improvement of Congolese pig production systems should consider (1) a reduction of inbreeding, (2) an improvement in biosafety to reduce the incidence of African swine fever and the spread of other diseases, and (3) an improvement in feeding practices.

Effects of row spacing on productivity and nodulation of two soybean varieties under hot sub-moist tropical conditions in south-western Ethiopia

The objective of this study was to determine the optimum row spacing to improve the productivity of two soybean (Glycine max L.) varieties under the tropical hot sub-moist agroecological conditions of Ethiopia. A two-year split-plot design experiment was conducted to determine the effect of variety (Awasa-95 [early-maturing], Afgat [medium-maturing]) and row spacing (RS: 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 cm) on the productivity, nodulation and weed infestation of soybean. Seed and total dry matter (TDM) yield per ha and per plant, and weed dry biomass per m^2 were significantly affected by RS. Soybean variety had a significant effect on plant density at harvest and some yield components (plant height, number of seeds/pod, and 1000 seed weight). Generally, seed and TDM yield per ha and per plant were high at 40 cm RS, and weed dry biomass per m^2 was higher for RS >= 40 cm than for narrower RS. However, the results did not demonstrate a consistent pattern along the RS gradient. The medium-maturing variety Afgat experienced higher mortality and ended up with lower final plant density at harvest, but higher plant height, number of seeds per pod and 1000 seed weight than the early-maturing variety Awasa-95. The results indicate that 40 cm RS with 5 cm plant spacing within a row can be used for high productivity and low weed infestation of both soybean varieties in the hot sub-moist tropical environment of south-western Ethiopia.