Canonical Quantization of a Massive Weyl Field

We construct a consistent theory of a quantum massive Weyl field. We start with the formulation of the classical field theory approach for the description of massive Weyl fields. It is demonstrated that the standard Lagrange formalism cannot be applied for the studies of massive first-quantized Weyl spinors. Nevertheless we show that the classical field theory description of massive Weyl fields can be implemented in frames of the Hamilton formalism or using the extended Lagrange formalism. Then we carry out a canonical quantization of the system. The independent ways for the quantization of a massive Weyl field are discussed. We also compare our results with the previous approaches for the treatment of massive Weyl spinors. Finally the new interpretation of the Majorana condition is proposed.

Spin-glass behaviour on random lattices

The ground-state phase diagram of an Ising spin-glass model on a random graph with an arbitrary fraction w of ferromagnetic interactions is analysed in the presence of an external field. Using the replica method, and performing an analysis of stability of the replica-symmetric solution, it is shown that w = 1/2, corresponding to an unbiased spin glass, is a singular point in the phase diagram, separating a region with a spin-glass phase (w < 1/2) from a region with spin-glass, ferromagnetic, mixed and paramagnetic phases (w > 1/2).

No-pole condition in Landau gauge: Properties of the Gribov ghost form factor and a constraint on the 2d gluon propagator

We study general properties of the Landau-gauge Gribov ghost form factor sigma(p(2)) for SU(N-c) Yang-Mills theories in the d-dimensional case. We find a qualitatively different behavior for d = 3, 4 with respect to the d = 2 case. In particular, considering any (sufficiently regular) gluon propagator D(p(2)) and the one-loop-corrected ghost propagator, we prove in the 2d case that the function sigma(p(2)) blows up in the infrared limit p -> 0 as -D(0) ln(p(2)). Thus, for d = 2, the no-pole condition sigma(p(2)) < 1 (for p(2) > 0) can be satisfied only if the gluon propagator vanishes at zero momentum, that is, D(0) = 0. On the contrary, in d = 3 and 4, sigma(p(2)) is finite also if D(0) > 0. The same results are obtained by evaluating the ghost propagator G(p(2)) explicitly at one loop, using fitting forms for D(p(2)) that describe well the numerical data of the gluon propagator in two, three and four space-time dimensions in the SU(2) case. These evaluations also show that, if one considers the coupling constant g(2) as a free parameter, the ghost propagator admits a one-parameter family of behaviors (labeled by g(2)), in agreement with previous works by Boucaud et al. In this case the condition sigma(0) <= 1 implies g(2) <= g(c)(2), where g(c)(2) is a "critical" value. Moreover, a freelike ghost propagator in the infrared limit is obtained for any value of g(2) smaller than g(c)(2), while for g(2) = g(c)(2) one finds an infrared-enhanced ghost propagator. Finally, we analyze the Dyson-Schwinger equation for sigma(p(2)) and show that, for infrared-finite ghost-gluon vertices, one can bound the ghost form factor sigma(p(2)). Using these bounds we find again that only in the d = 2 case does one need to impose D(0) = 0 in order to satisfy the no-pole condition. The d = 2 result is also supported by an analysis of the Dyson-Schwinger equation using a spectral representation for the ghost propagator. Thus, if the no-pole condition is imposed, solving the d = 2 Dyson-Schwinger equations cannot lead to a massive behavior for the gluon propagator. These results apply to any Gribov copy inside the so-called first Gribov horizon; i.e., the 2d result D(0) = 0 is not affected by Gribov noise. These findings are also in agreement with lattice data.

Hard Thermal Loops in the n-Dimensional phi(3) Theory

We derive a closed-form result for the leading thermal contributions which appear in the n-dimensional I center dot (3) theory at high temperature. These contributions become local only in the long wavelength and in the static limits, being given by different expressions in these two limits.

Universal behavior of the Shannon mutual information of critical quantum chains

We consider the Shannon mutual information of subsystems of critical quantum chains in their ground states. Our results indicate a universal leading behavior for large subsystem sizes. Moreover, as happens with the entanglement entropy, its finite-size behavior yields the conformal anomaly c of the underlying conformal field theory governing the long-distance physics of the quantum chain. We study analytically a chain of coupled harmonic oscillators and numerically the Q-state Potts models (Q = 2, 3, and 4), the XXZ quantum chain, and the spin-1 Fateev-Zamolodchikov model. The Shannon mutual information is a quantity easily computed, and our results indicate that for relatively small lattice sizes, its finite-size behavior already detects the universality class of quantum critical behavior.

Monte-Carlo-Simulationen zum Phasenverhalten binärer Polymerbürsten

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Strukturbildung im schlechten Lösungsmittel bei ein- und zweikomponentigen Polymerbürsten, bei denen Polymerketten durch Pfropfung am Substrat verankert sind. Solche Systeme zeigen laterale Strukturbildungen, aus denen sich interessante Anwendungen ergeben. Die Bewegung der Polymere erfolgt durch Monte Carlo-Simulationen im Kontinuum, die auf CBMC-Algorithmen sowie lokalen Monomerverschiebungen basieren. Eine neu entwickelte Variante des CBMC-Algorithmus erlaubt die Bewegung innerer Kettenteile, da der bisherige Algorithmus die Monomere in Nähe des Pfropfmonomers nicht gut relaxiert. Zur Untersuchung des Phasenverhaltens werden mehrere Analysemethoden entwickelt und angepasst: Dazu gehören die Minkowski-Maße zur Strukturuntersuchung binären Bürsten und die Pfropfkorrelationen zur Untersuchung des Einflusses von Pfropfmustern. Bei einkomponentigen Bürsten tritt die Strukturbildung nur beim schwach gepfropften System auf, dichte Pfropfungen führen zu geschlossenen Bürsten ohne laterale Struktur. Für den graduellen Übergang zwischen geschlossener und aufgerissener Bürste wird ein Temperaturbereich bestimmt, in dem der Übergang stattfindet. Der Einfluss des Pfropfmusters (Störung der Ausbildung einer langreichweitigen Ordnung) auf die Bürstenkonfiguration wird mit den Pfropfkorrelationen ausgewertet. Bei unregelmäßiger Pfropfung sind die gebildeten Strukturen größer als bei regelmäßiger Pfropfung und auch stabiler gegen höhere Temperaturen. Bei binären Systemen bilden sich Strukturen auch bei dichter Pfropfung aus. Zu den Parametern Temperatur, Pfropfdichte und Pfropfmuster kommt die Zusammensetzung der beiden Komponenten hinzu. So sind weitere Strukturen möglich, bei gleicher Häufigkeit der beiden Komponenten bilden sich streifenförmige, lamellare Muster, bei ungleicher Häufigkeit formt die Minoritätskomponente Cluster, die in der Majoritätskomponente eingebettet sind. Selbst bei gleichmäßig gepfropften Systemen bildet sich keine langreichweitige Ordnung aus. Auch bei binären Bürsten hat das Pfropfmuster großen Einfluss auf die Strukturbildung. Unregelmäßige Pfropfmuster führen schon bei höheren Temperaturen zur Trennung der Komponenten, die gebildeten Strukturen sind aber ungleichmäßiger und etwas größer als bei gleichmäßig gepfropften Systemen. Im Gegensatz zur self consistent field-Theorie berücksichtigen die Simulationen Fluktuationen in der Pfropfung und zeigen daher bessere Übereinstimmungen mit dem Experiment.

Numerical and analytical approaches to strongly correlated electron systems

In this thesis we consider three different models for strongly correlated electrons, namely a multi-band Hubbard model as well as the spinless Falicov-Kimball model, both with a semi-elliptical density of states in the limit of infinite dimensions d, and the attractive Hubbard model on a square lattice in d=2. In the first part, we study a two-band Hubbard model with unequal bandwidths and anisotropic Hund's rule coupling (J_z-model) in the limit of infinite dimensions within the dynamical mean-field theory (DMFT). Here, the DMFT impurity problem is solved with the use of quantum Monte Carlo (QMC) simulations. Our main result is that the J_z-model describes the occurrence of an orbital-selective Mott transition (OSMT), in contrast to earlier findings. We investigate the model with a high-precision DMFT algorithm, which was developed as part of this thesis and which supplements QMC with a high-frequency expansion of the self-energy. The main advantage of this scheme is the extraordinary accuracy of the numerical solutions, which can be obtained already with moderate computational effort, so that studies of multi-orbital systems within the DMFT+QMC are strongly improved. We also found that a suitably defined Falicov-Kimball (FK) model exhibits an OSMT, revealing the close connection of the Falicov-Kimball physics to the J_z-model in the OSM phase. In the second part of this thesis we study the attractive Hubbard model in two spatial dimensions within second-order self-consistent perturbation theory. This model is considered on a square lattice at finite doping and at low temperatures. Our main result is that the predictions of first-order perturbation theory (Hartree-Fock approximation) are renormalized by a factor of the order of unity even at arbitrarily weak interaction (U->0). The renormalization factor q can be evaluated as a function of the filling n for 00, the q-factor vanishes, signaling the divergence of self-consistent perturbation theory in this limit. Thus we present the first asymptotically exact results at weak-coupling for the negative-U Hubbard model in d=2 at finite doping.

Numerische und analytische Untersuchungen stark korrelierter fermionischer Mehrbandsysteme

In dieser Arbeit werden vier unterschiedliche, stark korrelierte, fermionische Mehrbandsysteme untersucht. Es handelt sich dabei um ein Mehrstörstellen-Anderson-Modell, zwei Hubbard-Modelle sowie ein Mehrbandsystem, wie es sich aus einer ab initio-Beschreibung für ein korreliertes Halbmetall ergibt.rnrnDie Betrachtung des Mehrstörstellen-Anderson-Modells konzentriert sich auf die Untersuchung des Einflusses der Austauschwechselwirkung und der nicht-lokalen Korrelationen zwischen zwei Störstellen in einem einfach-kubischen Gitter. Das zentrale Resultat ist die Abstandsabhängigkeit der Korrelationen der Störstellenelektronen, welche stark von der Gitterdimension und der relativen Position der Störstellen abhängen. Bemerkenswert ist hier die lange Reichweite der Korrelationen in der Diagonalrichtung des Gitters. Außerdem ergibt sich, dass eine antiferromagnetische Austauschwechselwirkung ein Singulett zwischen den Störstellenelektronen gegenüber den Kondo-Singuletts der einzelnen Störstellen favorisiert und so den Kondo-Effekt der einzelnen Störstellen behindert.rnrnEin Zweiband-Hubbard-Modell, das Jz-Modell, wird im Hinblick auf seine Mott-Phasen in Abhängigkeit von Dotierung und Kristallfeldaufspaltung auf dem Bethe-Gitter untersucht. Die Entartung der Bänder ist durch eine unterschiedliche Bandbreite aufgehoben. Wichtigstes Ergebnis sind die Phasendiagramme in Bezug auf Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter. Im Vergleich zu Einbandmodellen kommen im Jz-Modell sogenannte orbital-selektive Mott-Phasen hinzu, die, abhängig von Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter, einerseits metallischen und andererseits isolierenden Charakter haben. Ein neuer Aspekt ergibt sich durch den Kristallfeldparameter, der die ionischen Einteilchenniveaus relativ zueinander verschiebt, und für bestimmte Werte eine orbital-selektive Mott-Phase des breiten Bands ermöglicht. Im Vergleich mit analytischen Näherungslösungen und Einbandmodellen lassen sich generische Vielteilchen- und Korrelationseffekte von typischen Mehrband- und Einteilcheneffekten differenzieren.rnrnDas zweite untersuchte Hubbard-Modell beschreibt eine magneto-optische Falle mit einer endlichen Anzahl Gitterplätze, in welcher fermionische Atome platziert sind. Es wird eine z-antiferromagnetische Phase unter Berücksichtigung nicht-lokaler Vielteilchenkorrelationen erhalten, und dabei werden bekannte Ergebnisse einer effektiven Einteilchenbeschreibung verbessert.rnrnDas korrelierte Halbmetall wird im Rahmen einer Mehrbandrechnung im Hinblick auf Korrelationseffekte untersucht. Ausgangspunkt ist eine ab initio-Beschreibung durch die Dichtefunktionaltheorie (DFT), welche dann durch die Hinzunahme lokaler Korrelationen ergänzt wird. Die Vielteilcheneffekte werden an Hand einer einfachen Wechselwirkungsnäherung verdeutlicht, und für ein Wechselwirkungsmodell in sphärischer Symmetrie präzisiert. Es ergibt sich nur eine schwache Quasiteilchenrenormierung. Besonders für röntgenspektroskopische Experimente wird eine gute Übereinstimmung erzielt.rnrnDie numerischen Ergebnisse für das Jz-Modell basieren auf Quanten-Monte-Carlo-Simulationen im Rahmen der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT). Für alle anderen Systeme wird ein Mehrband-Algorithmus entwickelt und implementiert, welcher explizit nicht-diagonale Mehrbandprozesse berücksichtigt.rnrn

Superfluid and antiferromagnetic phases in ultracold fermionic quantum gases

In this thesis several models are treated, which are relevant for ultracold fermionic quantum gases loaded onto optical lattices. In particular, imbalanced superfluid Fermi mixtures, which are considered as the best way to realize Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) states experimentally, and antiferromagnetic states, whose experimental realization is one of the next major goals, are examined analytically and numerically with the use of appropriate versions of the Hubbard model.rnrnThe usual Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superconductor is known to break down in a magnetic field with a strength exceeding the size of the superfluid gap. A spatially inhomogeneous spin-imbalanced superconductor with a complex order parameter known as FFLO-state is predicted to occur in translationally invariant systems. Since in ultracold quantum gases the experimental setups have a limited size and a trapping potential, we analyze the realistic situation of a non-translationally invariant finite sized Hubbard model for this purpose. We first argue analytically, why the order parameter should be real in a system with continuous coordinates, and map our statements onto the Hubbard model with discrete coordinates defined on a lattice. The relevant Hubbard model is then treated numerically within mean field theory. We show that the numerical results agree with our analytically derived statements and we simulate various experimentally relevant systems in this thesis.rnrnAnalogous calculations are presented for the situation at repulsive interaction strength where the N'eel state is expected to be realized experimentally in the near future. We map our analytical results obtained for the attractive model onto corresponding results for the repulsive model. We obtain a spatially invariant unit vector defining the direction of the order parameter as a consequence of the trapping potential, which is affirmed by our mean field numerical results for the repulsive case. Furthermore, we observe domain wall formation, antiferromagnetically induced density shifts, and we show the relevant role of spin-imbalance for antiferromagnetic states.rnrnSince the first step for understanding the physics of the examined models was the application of a mean field approximation, we analyze the effect of including the second order terms of the weak coupling perturbation expansion for the repulsive model. We show that our results survive the influence of quantum fluctuations and show that the renormalization factors for order parameters and critical temperatures lead to a weaker influence of the fluctuations on the results in finite sized systems than on the results in the thermodynamical limit. Furthermore, in the context of second order theory we address the question whether results obtained in the dynamical mean field theory (DMFT), which is meanwhile a frequently used method for describing trapped systems, survive the effect of the non-local Feynman diagrams neglected in DMFT.

Anwendungen des Komplexe-Masse-Renormierungsschemas in effektiver Feldtheorie

Der erste Teil der vorliegenden Dissertation befasst sich mit der Untersuchung der perturbativen Unitarität im Komplexe-Masse-Renormierungsschema (CMS). Zu diesem Zweck wird eine Methode zur Berechnung der Imaginärteile von Einschleifenintegralen mit komplexen Massenparametern vorgestellt, die im Grenzfall stabiler Teilchen auf die herkömmlichen Cutkosky-Formeln führt. Anhand einer Modell-Lagrangedichte für die Wechselwirkung eines schweren Vektorbosons mit einem leichten Fermion wird demonstriert, dass durch Anwendung des CMS die Unitarität der zugrunde liegenden S-Matrix im störungstheoretischen Sinne erfüllt bleibt, sofern die renormierte Kopplungskonstante reell gewählt wird. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Anwendungen des CMS in chiraler effektiver Feldtheorie (EFT). Im Einzelnen werden Masse und Breite der Deltaresonanz, die elastischen elektromagnetischen Formfaktoren der Roperresonanz, die elektromagnetischen Formfaktoren des Übergangs vom Nukleon zur Roperresonanz sowie Pion-Nukleon-Streuung und Photo- und Elektropionproduktion für Schwerpunktsenergien im Bereich der Roperresonanz berechnet. Die Wahl passender Renormierungsbedingungen ermöglicht das Aufstellen eines konsistenten chiralen Zählschemas für EFT in Anwesenheit verschiedener resonanter Freiheitsgrade, so dass die aufgeführten Prozesse in Form einer systematischen Entwicklung nach kleinen Parametern untersucht werden können. Die hier erzielten Resultate können für Extrapolationen von entsprechenden Gitter-QCD-Simulationen zum physikalischen Wert der Pionmasse genutzt werden. Deshalb wird neben der Abhängigkeit der Formfaktoren vom quadrierten Impulsübertrag auch die Pionmassenabhängigkeit des magnetischen Moments und der elektromagnetischen Radien der Roperresonanz untersucht. Im Rahmen der Pion-Nukleon-Streuung und der Photo- und Elektropionproduktion werden eine Partialwellenanalyse und eine Multipolzerlegung durchgeführt, wobei die P11-Partialwelle sowie die Multipole M1- und S1- mittels nichtlinearer Regression an empirische Daten angepasst werden.

Exact quantum Monte Carlo methods for correlated electron systems

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.

Ultracold Quantum Gases and Lattice Systems: Quantum Simulation of Lattice Gauge Theories

Abelian and non-Abelian gauge theories are of central importance in many areas of physics. In condensed matter physics, AbelianU(1) lattice gauge theories arise in the description of certain quantum spin liquids. In quantum information theory, Kitaev’s toric code is a Z(2) lattice gauge theory. In particle physics, Quantum Chromodynamics (QCD), the non-Abelian SU(3) gauge theory of the strong interactions between quarks and gluons, is nonperturbatively regularized on a lattice. Quantum link models extend the concept of lattice gauge theories beyond the Wilson formulation, and are well suited for both digital and analog quantum simulation using ultracold atomic gases in optical lattices. Since quantum simulators do not suffer from the notorious sign problem, they open the door to studies of the real-time evolution of strongly coupled quantum systems, which are impossible with classical simulation methods. A plethora of interesting lattice gauge theories suggests itself for quantum simulation, which should allow us to address very challenging problems, ranging from confinement and deconfinement, or chiral symmetry breaking and its restoration at finite baryon density, to color superconductivity and the real-time evolution of heavy-ion collisions, first in simpler model gauge theories and ultimately in QCD.

Towards understanding thermal jet quenching via lattice simulations

After reviewing how simulations employing classical lattice gauge theory permit to test a conjectured Euclideanization property of a light-cone Wilson loop in a thermal non-Abelian plasma, we show how Euclidean data can in turn be used to estimate the transverse collision kernel, C(k⊥), characterizing the broadening of a high-energy jet. First results, based on data produced recently by Panero et al, suggest that C(k⊥) is enhanced over the known NLO result in a soft regime k⊥ < a few T. The shape of k3⊥ C(k⊥) is consistent with a Gaussian at small k⊥.

Crystalline Confinement

We show that exotic phases arise in generalized lattice gauge theories known as quantum link models in which classical gauge fields are replaced by quantum operators. While these quantum models with discrete variables have a finite-dimensional Hilbert space per link, the continuous gauge symmetry is still exact. An efficient cluster algorithm is used to study these exotic phases. The (2+1)-d system is confining at zero temperature with a spontaneously broken translation symmetry. A crystalline phase exhibits confinement via multi stranded strings between chargeanti-charge pairs. A phase transition between two distinct confined phases is weakly first order and has an emergent spontaneously broken approximate SO(2) global symmetry. The low-energy physics is described by a (2 + 1)-d RP(1) effective field theory, perturbed by a dangerously irrelevant SO(2) breaking operator, which prevents the interpretation of the emergent pseudo-Goldstone boson as a dual photon. This model is an ideal candidate to be implemented in quantum simulators to study phenomena that are not accessible using Monte Carlo simulations such as the real-time evolution of the confining string and the real-time dynamics of the pseudo-Goldstone boson.

Standard Model thermodynamics across the electroweak crossover

Even though the Standard Model with a Higgs mass mH = 125GeV possesses no bulk phase transition, its thermodynamics still experiences a "soft point" at temperatures around T = 160GeV, with a deviation from ideal gas thermodynamics. Such a deviation may have an effect on precision computations of weakly interacting dark matter relic abundances if their mass is in the few TeV range, or on leptogenesis scenarios operating in this temperature range. By making use of results from lattice simulations based on a dimensionally reduced effective field theory, we estimate the relevant thermodynamic functions across the crossover. The results are tabulated in a numerical form permitting for their insertion as a background equation of state into cosmological particle production/decoupling codes. We find that Higgs dynamics induces a non-trivial "structure" visible e.g. in the heat capacity, but that in general the largest radiative corrections originate from QCD effects, reducing the energy density by a couple of percent from the free value even at T > 160GeV.