Lyotropic mixture made of potassium laurate/1-undecanol/K2SO4/water presenting high birefringences and large biaxial nematic phase domain: a laser conoscopy study

The lyotropic liquid crystalline quaternary mixture made of potassium laurate (KL), potassium sulphate, 1-undecanol and water was investigated by experimental optical methods (optical microscopy and laser conoscopy). In a particular temperature and relative concentrations range, the three nematic phases (two uniaxial and one biaxial) were identified. The biaxial domain in the temperature/KL concentration surface is larger when compared to other lyotropic mixtures. Moreover, this new mixture gives nematic phases with higher birefringence than similar systems. The behavior of the symmetric tensor order parameter invariants sigma(3) and sigma(2) calculated from the measured optical birefringences supports that the uniaxial-to-biaxial transitions are of second order, described by a mean-field theory.

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).

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.

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.

Computational method to reduce the search space for directed protein evolution

We introduce a computational method to optimize the in vitro evolution of proteins. Simulating evolution with a simple model that statistically describes the fitness landscape, we find that beneficial mutations tend to occur at amino acid positions that are tolerant to substitutions, in the limit of small libraries and low mutation rates. We transform this observation into a design strategy by applying mean-field theory to a structure-based computational model to calculate each residue's structural tolerance. Thermostabilizing and activity-increasing mutations accumulated during the experimental directed evolution of subtilisin E and T4 lysozyme are strongly directed to sites identified by using this computational approach. This method can be used to predict positions where mutations are likely to lead to improvement of specific protein properties.

Prediction of hidden multiferroic order in graphene zigzag ribbons

An electronic phase with coexisting magnetic and ferroelectric order is predicted for graphene ribbons with zigzag edges. The electronic structure of the system is described with a mean-field Hubbard model that yields results very similar to those of density functional calculations. Without further approximations, the mean-field theory is recasted in terms of a BCS wave function for electron-hole pairs in the edge bands. The BCS coherence present in each spin channel is related to spin-resolved electric polarization. Although the total electric polarization vanishes, due to an internal phase locking of the BCS state, strong magnetoelectric effects are expected in this system. The formulation naturally accounts for the two gaps in the quasiparticle spectrun, Δ0 and Δ1, and relates them to the intraband and interband self-energies.

Transport across two interacting quantum dots: Bulk Kondo, Kondo box, and molecular regimes

We analyze the transport properties of a double quantum dot device with both dots coupled to perfect conducting leads and to a finite chain of N noninteracting sites connecting both of them. The interdot chain strongly influences the transport across the system and the local density of states of the dots. We study the case of a small number of sites, so that Kondo box effects are present, varying the coupling between the dots and the chain. For odd N and small coupling between the interdot chain and the dots, a state with two coexisting Kondo regimes develops: the bulk Kondo due to the quantum dots connected to leads and the one produced by the screening of the quantum dot spins by the spin in the finite chain at the Fermi level. As the coupling to the interdot chain increases, there is a crossover to a molecular Kondo effect, due to the screening of the molecule (formed by the finite chain and the quantum dots) spin by the leads. For even N the two Kondo temperatures regime does not develop and the physics is dominated by the usual competition between Kondo and antiferromagnetism between the quantum dots. We finally study how the transport properties are affected as N is increased. For the study we used exact multiconfigurational Lanczos calculations and finite-U slave-boson mean-field theory at T=0. The results obtained with both methods describe qualitatively and also quantitatively the same physics.

Indications of coherence-incoherence crossover in layered metallic transport

For many strongly correlated metals with layered crystal structure the temperature dependence of the interlayer resistance is different to that of the intralayer resistance. We consider a small polaron model which exhibits this behavior, illustrating how the interlayer transport is related to the coherence of quasiparticles within the layers. Explicit results are also given for the electron spectral function, interlayer optical conductivity, and the interlayer magnetoresistance. All these quantities have two contributions: one coherent (dominant at low temperatures) and the other incoherent (dominant at high temperatures).

Strong electronic correlations in superconducting organic charge transfer salts

We review the role of strong electronic correlations in quasi-two-dimensional organic charge transfer salts such as (BEDT-TTF)(2)X, (BETS)(2)Y, and beta'-[Pd(dmit)(2)](2)Z. We begin by defining minimal models for these materials. It is necessary to identify two classes of material: the first class is strongly dimerized and is described by a half-filled Hubbard model; the second class is not strongly dimerized and is described by a quarter-filled extended Hubbard model. We argue that these models capture the essential physics of these materials. We explore the phase diagram of the half-filled quasi-two-dimensional organic charge transfer salts, focusing on the metallic and superconducting phases. We review work showing that the metallic phase, which has both Fermi liquid and 'bad metal' regimes, is described both quantitatively and qualitatively by dynamical mean field theory (DMFT). The phenomenology of the superconducting state is still a matter of contention. We critically review the experimental situation, focusing on the key experimental results that may distinguish between rival theories of superconductivity, particularly probes of the pairing symmetry and measurements of the superfluid stiffness. We then discuss some strongly correlated theories of superconductivity, in particular the resonating valence bond (RVB) theory of superconductivity. We conclude by discussing some of the major challenges currently facing the field. These include parameterizing minimal models, the evidence for a pseudogap from nuclear magnetic resonance (NMR) experiments, superconductors with low critical temperatures and extremely small superfluid stiffnesses, the possible spin- liquid states in kappa-(ET)(2)Cu-2(CN)(3) and beta'-[Pd(dmit)(2)](2)Z, and the need for high quality large single crystals.

The charge effect on the hindrance factors for diffusion and convection of a solute in pores II

The diffusion and convection of a solute suspended in a fluid across porous membranes are known to be reduced compared to those in a bulk solution, owing to the fluid mechanical interaction between the solute and the pore wall as well as steric restriction. If the solute and the pore wall are electrically charged, the electrostatic interaction between them could affect the hindrance to diffusion and convection. In this study, the transport of charged spherical solutes through charged circular cylindrical pores filled with an electrolyte solution containing small ions was studied numerically by using a fluid mechanical and electrostatic model. Based on a mean field theory, the electrostatic interaction energy between the solute and the pore wall was estimated from the Poisson-Boltzmann equation, and the charge effect on the solute transport was examined for the solute and pore wall of like charge. The results were compared with those obtained from the linearized form of the Poisson-Boltzmann equation, i.e.the Debye-Hückel equation. © 2012 The Japan Society of Fluid Mechanics and IOP Publishing Ltd.

Charge effects on hindrance factors for diffusion and convection of solute in pores I

The transport of a spherical solute through a long circular cylindrical pore filled with an electrolyte solution is studied numerically, in the presence of constant surface charge on the solute and the pore wall. Fluid dynamic analyses were carried out to calculate the flow field around the solute in the pore to evaluate the drag coefficients exerted on the solute. Electrical potentials around the solute in the electrolyte solution were computed based on a mean-field theory to provide the interaction energy between the charged solute and the pore wall. Combining the results of the fluid dynamic and electrostatic analyses, we estimated the rate of the diffusive and convective transport of the solute across the pore. Although the present estimates of the drag coefficients on the solute suggest more than 10% difference from existing studies, depending on the radius ratio of the solute relative to the pore and the radial position of the solute center in the pore, this difference leads to a minor effect on the hindrance factors. It was found that even at rather large ion concentrations, the repulsive electrostatic interaction between the charged solute and the pore wall of like charge could significantly reduce the transport rate of the solute.

Charge effects on the hindered transport of macromolecules across the endothelial surface glycocalyx layer

A fluid mechanical and electrostatic model for the transport of solute molecules across the vascular endothelial surface glycocalyx layer (EGL) was developed to study the charge effect on the diffusive and convective transport of the solutes. The solute was assumed to be a spherical particle with a constant surface charge density, and the EGL was represented as an array of periodically arranged circular cylinders of like charge, with a constant surface charge density. By combining the fluid mechanical analyses for the flow around a solute suspended in an electrolyte solution and the electrostatic analyses for the free energy of the interaction between the solute and cylinders based on a mean field theory, we estimated the transport coefficients of the solute across the EGL. Both of diffusive and convective transports are reduced compared to those for an uncharged system, due to the stronger exclusion of the solute that results from the repulsive electrostatic interaction. The model prediction for the reflection coefficient for serum albumin agreed well with experimental observations if the charge density in the EGL is ranged from approximately -10 to -30 mEq/l.