Dirac fermions in strong electric field and quantum transport in graphene

Our previous results on the nonperturbative calculations of the mean current and of the energy-momentum tensor in QED with the T-constant electric field are generalized to arbitrary dimensions. The renormalized mean values are found, and the vacuum polarization contributions and particle creation contributions to these mean values are isolated in the large T limit; we also relate the vacuum polarization contributions to the one-loop effective Euler-Heisenberg Lagrangian. Peculiarities in odd dimensions are considered in detail. We adapt general results obtained in 2 + 1 dimensions to the conditions which are realized in the Dirac model for graphene. We study the quantum electronic and energy transport in the graphene at low carrier density and low temperatures when quantum interference effects are important. Our description of the quantum transport in the graphene is based on the so-called generalized Furry picture in QED where the strong external field is taken into account nonperturbatively; this approach is not restricted to a semiclassical approximation for carriers and does not use any statistical assumptions inherent in the Boltzmann transport theory. In addition, we consider the evolution of the mean electromagnetic field in the graphene, taking into account the backreaction of the matter field to the applied external field. We find solutions of the corresponding Dirac-Maxwell set of equations and with their help we calculate the effective mean electromagnetic field and effective mean values of the current and the energy-momentum tensor. The nonlinear and linear I-V characteristics experimentally observed in both low-and high-mobility graphene samples are quite well explained in the framework of the proposed approach, their peculiarities being essentially due to the carrier creation from the vacuum by the applied electric field. DOI: 10.1103/PhysRevD.86.125022

On the generalized canonical equations of Hamilton for a time-dependent mass particle

Fundamental principles of mechanics were primarily conceived for constant mass systems. Since the pioneering works of Meshcherskii (see historical review in Mikhailov (Mech. Solids 10(5):32-40, 1975), efforts have been made in order to elaborate an adequate mathematical formalism for variable mass systems. This is a current research field in theoretical mechanics. In this paper, attention is focused on the derivation of the so-called 'generalized canonical equations of Hamilton' for a variable mass particle. The applied technique consists in the consideration of the mass variation process as a dissipative phenomenon. Kozlov's (Stek. Inst. Math 223:178-184, 1998) method, originally devoted to the derivation of the generalized canonical equations of Hamilton for dissipative systems, is accordingly extended to the scenario of variable mass systems. This is done by conveniently writing the flux of kinetic energy from or into the variable mass particle as a 'Rayleigh-like dissipation function'. Cayley (Proc. R Soc. Lond. 8:506-511, 1857) was the first scholar to propose such an analogy. A deeper discussion on this particular subject will be left for a future paper.

Nonanalyticity of the free energy in thermal field theory

We study, in a d-dimensional space-time, the nonanalyticity of the thermal free energy in the scalar phi(4) theory as well as in QED. We find that the infrared divergent contributions induce, when d is even, a nonanalyticity in the coupling alpha of the form (alpha)((d-1)/2) whereas when d is odd the nonanalyticity is only logarithmic.

Higher spatial derivative field theories

In this work, we employ renormalization group methods to study the general behavior of field theories possessing anisotropic scaling in the spacetime variables. The Lorentz symmetry breaking that accompanies these models are either soft, if no higher spatial derivative is present, or it may have a more complex structure if higher spatial derivatives are also included. Both situations are discussed in models with only scalar fields and also in models with fermions as a Yukawa-like model.

Integral form of Yang-Mills equations and its gauge invariant conserved charges

Despite the fact that the integral form of the equations of classical electrodynamics is well known, the same is not true for non-Abelian gauge theories. The aim of the present paper is threefold. First, we present the integral form of the classical Yang-Mills equations in the presence of sources and then use it to solve the long-standing problem of constructing conserved charges, for any field configuration, which are invariant under general gauge transformations and not only under transformations that go to a constant at spatial infinity. The construction is based on concepts in loop spaces and on a generalization of the non-Abelian Stokes theorem for two-form connections. The third goal of the paper is to present the integral form of the self-dual Yang-Mills equations and calculate the conserved charges associated with them. The charges are explicitly evaluated for the cases of monopoles, dyons, instantons and merons, and we show that in many cases those charges must be quantized. Our results are important in the understanding of global properties of non-Abelian gauge theories.

Ward identities in Lifshitz-like field theories

In this work, we develop a normal product algorithm suitable to the study of anisotropic field theories in flat space, apply it to construct the symmetries generators and describe how their possible anomalies may be found. In particular, we discuss the dilatation anomaly in a scalar model with critical exponent z = 2 in six spatial dimensions.

STRUCTURE OF THE ELECTROMAGNETIC FIELD ALLOWING EXACT SOLUTION OF THE SCHRODINGER EQUATION IN SUPERPOSITION WITH AN AHARONOV-BOHM FIELD

A charged particle is considered in a complex external electromagnetic field. The field is a superposition of an Aharonov-Bohm field and some additional field. Here we describe all additional fields known up to the present time that allow exact solution of the Schrodinger equation in a complex field.

Some aspects of self-duality and generalised BPS theories

If a scalar eld theory in (1+1) dimensions possesses soliton solutions obeying rst order BPS equations, then, in general, it is possible to nd an in nite number of related eld theories with BPS solitons which obey closely related BPS equations. We point out that this fact may be understood as a simple consequence of an appropriately generalised notion of self-duality. We show that this self-duality framework enables us to generalize to higher dimensions the construction of new solitons from already known solutions. By performing simple eld transformations our procedure allows us to relate solitons with di erent topological properties. We present several interesting examples of such solitons in two and three dimensions.

Fluid dynamic analysis and modelling of industrial chemical equipment

The research is aimed at contributing to the identification of reliable fully predictive Computational Fluid Dynamics (CFD) methods for the numerical simulation of equipment typically adopted in the chemical and process industries. The apparatuses selected for the investigation, specifically membrane modules, stirred vessels and fluidized beds, were characterized by a different and often complex fluid dynamic behaviour and in some cases the momentum transfer phenomena were coupled with mass transfer or multiphase interactions. Firs of all, a novel modelling approach based on CFD for the prediction of the gas separation process in membrane modules for hydrogen purification is developed. The reliability of the gas velocity field calculated numerically is assessed by comparison of the predictions with experimental velocity data collected by Particle Image Velocimetry, while the applicability of the model to properly predict the separation process under a wide range of operating conditions is assessed through a strict comparison with permeation experimental data. Then, the effect of numerical issues on the RANS-based predictions of single phase stirred tanks is analysed. The homogenisation process of a scalar tracer is also investigated and simulation results are compared to original passive tracer homogenisation curves determined with Planar Laser Induced Fluorescence. The capability of a CFD approach based on the solution of RANS equations is also investigated for describing the fluid dynamic characteristics of the dispersion of organics in water. Finally, an Eulerian-Eulerian fluid-dynamic model is used to simulate mono-disperse suspensions of Geldart A Group particles fluidized by a Newtonian incompressible fluid as well as binary segregating fluidized beds of particles differing in size and density. The results obtained under a number of different operating conditions are compared with literature experimental data and the effect of numerical uncertainties on axial segregation is also discussed.

Modeling surface-atmosphere exchange of trace gases and energy within and above the Amazon rain forest

Die vorliegende Dissertation untersucht die biogeochemischen Vorgänge in der Vegetationsschicht (Bestand) und die Rückkopplungen zwischen physiologischen und physikalischen Umweltprozessen, die das Klima und die Chemie der unteren Atmosphäre beeinflussen. Ein besondere Schwerpunkt ist die Verwendung theoretischer Ansätze zur Quantifizierung des vertikalen Austauschs von Energie und Spurengasen (Vertikalfluss) unter besonderer Berücksichtigung der Wechselwirkungen der beteiligten Prozesse. Es wird ein differenziertes Mehrschicht-Modell der Vegetation hergeleitet, implementiert, für den amazonischen Regenwald parametrisiert und auf einen Standort in Rondonia (Südwest Amazonien) angewendet, welches die gekoppelten Gleichungen zur Energiebilanz der Oberfläche und CO2-Assimilation auf der Blattskala mit einer Lagrange-Beschreibung des Vertikaltransports auf der Bestandesskala kombiniert. Die hergeleiteten Parametrisierungen beinhalten die vertikale Dichteverteilung der Blattfläche, ein normalisiertes Profil der horizontalen Windgeschwindigkeit, die Lichtakklimatisierung der Photosynthesekapazität und den Austausch von CO2 und Wärme an der Bodenoberfläche. Desweiteren werden die Berechnungen zur Photosynthese, stomatären Leitfähigkeit und der Strahlungsabschwächung im Bestand mithilfe von Feldmessungen evaluiert. Das Teilmodell zum Vertikaltransport wird im Detail unter Verwendung von 222-Radon-Messungen evaluiert. Die ``Vorwärtslösung'' und der ``inverse Ansatz'' des Lagrangeschen Dispersionsmodells werden durch den Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Konzentrationsprofilen bzw. Bodenflüssen bewertet. Ein neuer Ansatz wird hergeleitet, um die Unsicherheiten des inversen Ansatzes aus denjenigen des Eingabekonzentrationsprofils zu quantifizieren. Für nächtliche Bedingungen wird eine modifizierte Parametrisierung der Turbulenz vorgeschlagen, welche die freie Konvektion während der Nacht im unteren Bestand berücksichtigt und im Vergleich zu früheren Abschätzungen zu deutlich kürzeren Aufenthaltszeiten im Bestand führt. Die vorhergesagte Stratifizierung des Bestandes am Tage und in der Nacht steht im Einklang mit Beobachtungen in dichter Vegetation. Die Tagesgänge der vorhergesagten Flüsse und skalaren Profile von Temperatur, H2O, CO2, Isopren und O3 während der späten Regen- und Trockenzeit am Rondonia-Standort stimmen gut mit Beobachtungen überein. Die Ergebnisse weisen auf saisonale physiologische Änderungen hin, die sich durch höhere stomatäre Leitfähigkeiten bzw. niedrigere Photosyntheseraten während der Regen- und Trockenzeit manifestieren. Die beobachteten Depositionsgeschwindigkeiten für Ozon während der Regenzeit überschreiten diejenigen der Trockenzeit um 150-250%. Dies kann nicht durch realistische physiologische Änderungen erklärt werden, jedoch durch einen zusätzlichen cuticulären Aufnahmemechanismus, möglicherweise an feuchten Oberflächen. Der Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Isoprenkonzentrationen im Bestand weist auf eine reduzierte Isoprenemissionskapazität schattenadaptierter Blätter und zusätzlich auf eine Isoprenaufnahme des Bodens hin, wodurch sich die globale Schätzung für den tropischen Regenwald um 30% reduzieren würde. In einer detaillierten Sensitivitätsstudie wird die VOC Emission von amazonischen Baumarten unter Verwendung eines neuronalen Ansatzes in Beziehung zu physiologischen und abiotischen Faktoren gesetzt. Die Güte einzelner Parameterkombinationen bezüglich der Vorhersage der VOC Emission wird mit den Vorhersagen eines Modells verglichen, das quasi als Standardemissionsalgorithmus für Isopren dient und Licht sowie Temperatur als Eingabeparameter verwendet. Der Standardalgorithmus und das neuronale Netz unter Verwendung von Licht und Temperatur als Eingabeparameter schneiden sehr gut bei einzelnen Datensätzen ab, scheitern jedoch bei der Vorhersage beobachteter VOC Emissionen, wenn Datensätze von verschiedenen Perioden (Regen/Trockenzeit), Blattentwicklungsstadien, oder gar unterschiedlichen Spezies zusammengeführt werden. Wenn dem Netzwerk Informationen über die Temperatur-Historie hinzugefügt werden, reduziert sich die nicht erklärte Varianz teilweise. Eine noch bessere Leistung wird jedoch mit physiologischen Parameterkombinationen erzielt. Dies verdeutlicht die starke Kopplung zwischen VOC Emission und Blattphysiologie.

Classical limit of the Nelson model

Since the development of quantum mechanics it has been natural to analyze the connection between classical and quantum mechanical descriptions of physical systems. In particular one should expect that in some sense when quantum mechanical effects becomes negligible the system will behave like it is dictated by classical mechanics. One famous relation between classical and quantum theory is due to Ehrenfest. This result was later developed and put on firm mathematical foundations by Hepp. He proved that matrix elements of bounded functions of quantum observables between suitable coherents states (that depend on Planck's constant h) converge to classical values evolving according to the expected classical equations when h goes to zero. His results were later generalized by Ginibre and Velo to bosonic systems with infinite degrees of freedom and scattering theory. In this thesis we study the classical limit of Nelson model, that describes non relativistic particles, whose evolution is dictated by Schrödinger equation, interacting with a scalar relativistic field, whose evolution is dictated by Klein-Gordon equation, by means of a Yukawa-type potential. The classical limit is a mean field and weak coupling limit. We proved that the transition amplitude of a creation or annihilation operator, between suitable coherent states, converges in the classical limit to the solution of the system of differential equations that describes the classical evolution of the theory. The quantum evolution operator converges to the evolution operator of fluctuations around the classical solution. Transition amplitudes of normal ordered products of creation and annihilation operators between coherent states converge to suitable products of the classical solutions. Transition amplitudes of normal ordered products of creation and annihilation operators between fixed particle states converge to an average of products of classical solutions, corresponding to different initial conditions.

Analysis of optimal control problems for the incompressible MHD equations and implementation in a finite element multiphysics code

This thesis deals with the study of optimal control problems for the incompressible Magnetohydrodynamics (MHD) equations. Particular attention to these problems arises from several applications in science and engineering, such as fission nuclear reactors with liquid metal coolant and aluminum casting in metallurgy. In such applications it is of great interest to achieve the control on the fluid state variables through the action of the magnetic Lorentz force. In this thesis we investigate a class of boundary optimal control problems, in which the flow is controlled through the boundary conditions of the magnetic field. Due to their complexity, these problems present various challenges in the definition of an adequate solution approach, both from a theoretical and from a computational point of view. In this thesis we propose a new boundary control approach, based on lifting functions of the boundary conditions, which yields both theoretical and numerical advantages. With the introduction of lifting functions, boundary control problems can be formulated as extended distributed problems. We consider a systematic mathematical formulation of these problems in terms of the minimization of a cost functional constrained by the MHD equations. The existence of a solution to the flow equations and to the optimal control problem are shown. The Lagrange multiplier technique is used to derive an optimality system from which candidate solutions for the control problem can be obtained. In order to achieve the numerical solution of this system, a finite element approximation is considered for the discretization together with an appropriate gradient-type algorithm. A finite element object-oriented library has been developed to obtain a parallel and multigrid computational implementation of the optimality system based on a multiphysics approach. Numerical results of two- and three-dimensional computations show that a possible minimum for the control problem can be computed in a robust and accurate manner.

Frobenius polynomials for Calabi-Yau equations

Sei $\pi:X\rightarrow S$ eine \"uber $\Z$ definierte Familie von Calabi-Yau Varietaten der Dimension drei. Es existiere ein unter dem Gauss-Manin Zusammenhang invarianter Untermodul $M\subset H^3_{DR}(X/S)$ von Rang vier, sodass der Picard-Fuchs Operator $P$ auf $M$ ein sogenannter {\em Calabi-Yau } Operator von Ordnung vier ist. Sei $k$ ein endlicher K\"orper der Charaktetristik $p$, und sei $\pi_0:X_0\rightarrow S_0$ die Reduktion von $\pi$ \uber $k$. F\ur die gew\ohnlichen (ordinary) Fasern $X_{t_0}$ der Familie leiten wir eine explizite Formel zur Berechnung des charakteristischen Polynoms des Frobeniusendomorphismus, des {\em Frobeniuspolynoms}, auf dem korrespondierenden Untermodul $M_{cris}\subset H^3_{cris}(X_{t_0})$ her. Sei nun $f_0(z)$ die Potenzreihenl\osung der Differentialgleichung $Pf=0$ in einer Umgebung der Null. Da eine reziproke Nullstelle des Frobeniuspolynoms in einem Teichm\uller-Punkt $t$ durch $f_0(z)/f_0(z^p)|_{z=t}$ gegeben ist, ist ein entscheidender Schritt in der Berechnung des Frobeniuspolynoms die Konstruktion einer $p-$adischen analytischen Fortsetzung des Quotienten $f_0(z)/f_0(z^p)$ auf den Rand des $p-$adischen Einheitskreises. Kann man die Koeffizienten von $f_0$ mithilfe der konstanten Terme in den Potenzen eines Laurent-Polynoms, dessen Newton-Polyeder den Ursprung als einzigen inneren Gitterpunkt enth\alt, ausdr\ucken,so beweisen wir gewisse Kongruenz-Eigenschaften unter den Koeffizienten von $f_0$. Diese sind entscheidend bei der Konstruktion der analytischen Fortsetzung. Enth\alt die Faser $X_{t_0}$ einen gew\ohnlichen Doppelpunkt, so erwarten wir im Grenz\ubergang, dass das Frobeniuspolynom in zwei Faktoren von Grad eins und einen Faktor von Grad zwei zerf\allt. Der Faktor von Grad zwei ist dabei durch einen Koeffizienten $a_p$ eindeutig bestimmt. Durchl\auft nun $p$ die Menge aller Primzahlen, so erwarten wir aufgrund des Modularit\atssatzes, dass es eine Modulform von Gewicht vier gibt, deren Koeffizienten durch die Koeffizienten $a_p$ gegeben sind. Diese Erwartung hat sich durch unsere umfangreichen Rechnungen best\atigt. Dar\uberhinaus leiten wir weitere Formeln zur Bestimmung des Frobeniuspolynoms her, in welchen auch die nicht-holomorphen L\osungen der Gleichung $Pf=0$ in einer Umgebung der Null eine Rolle spielen.

Monodromy calculations for some differential equations

In vielen Teilgebieten der Mathematik ist es w"{u}nschenswert, die Monodromiegruppe einer homogenen linearen Differenzialgleichung zu verstehen. Es sind nur wenige analytische Methoden zur Berechnung dieser Gruppe bekannt, daher entwickeln wir im ersten Teil dieser Arbeit eine numerische Methode zur Approximation ihrer Erzeuger.rnIm zweiten Abschnitt fassen wir die Grundlagen der Theorie der Uniformisierung Riemannscher Fl"achen und die der arithmetischen Fuchsschen Gruppen zusammen. Auss erdem erkl"aren wir, wie unsere numerische Methode bei der Bestimmung von uniformisierenden Differenzialgleichungen dienlich sein kann. F"ur arithmetische Fuchssche Gruppen mit zwei Erzeugern erhalten wir lokale Daten und freie Parameter von Lam'{e} Gleichungen, welche die zugeh"origen Riemannschen Fl"achen uniformisieren. rnIm dritten Teil geben wir einen kurzen Abriss zur homologischen Spiegelsymmetrie und f"uhren die $widehat{Gamma}$-Klasse ein. Wir erkl"aren wie diese genutzt werden kann, um eine Hodge-theoretische Version der Spiegelsymmetrie f"ur torische Varit"aten zu beweisen. Daraus gewinnen wir Vermutungen "uber die Monodromiegruppe $M$ von Picard-Fuchs Gleichungen von gewissen Familien $f:mathcal{X}rightarrow bbp^1$ von $n$-dimensionalen Calabi-Yau Variet"aten. Diese besagen erstens, dass bez"uglich einer nat"urlichen Basis die Monodromiematrizen in $M$ Eintr"age aus dem K"orper $bbq(zeta(2j+1)/(2 pi i)^{2j+1},j=1,ldots,lfloor (n-1)/2 rfloor)$ haben. Und zweitens, dass sich topologische Invarianten des Spiegelpartners einer generischen Faser von $f:mathcal{X}rightarrow bbp^1$ aus einem speziellen Element von $M$ rekonstruieren lassen. Schliess lich benutzen wir die im ersten Teil entwickelten Methoden zur Verifizierung dieser Vermutungen, vornehmlich in Hinblick auf Dimension drei. Dar"uber hinaus erstellen wir eine Liste von Kandidaten topologischer Invarianten von vermutlich existierenden dreidimensionalen Calabi-Yau Variet"aten mit $h^{1,1}=1$.

BCJ-relations in quantum field theory

BCJ-relations have a series of important consequences in Quantum FieldrnTheory and in Gravity. In QFT, one can use BCJ-relations to reduce thernnumber of independent colour-ordered partial amplitudes and to relate nonplanarrnand planar diagrams in loop calculations. In addition, one can usernBCJ-numerators to construct gravity scattering amplitudes through a squaringrn procedure. For these reasons, it is important to nd a prescription tornobtain BCJ-numerators without requiring a diagram by diagram approach.rnIn this thesis, after introducing some basic concepts needed for the discussion,rnI will examine the existing diagrammatic prescriptions to obtainrnBCJ-numerators. Subsequently, I will present an algorithm to construct anrneective Yang-Mills Lagrangian which automatically produces kinematic numeratorsrnsatisfying BCJ-relations. A discussion on the kinematic algebrarnfound through scattering equations will then be presented as a way to xrnnon-uniqueness problems in the algorithm.