Algebraic Bethe ansatz method for the exact calculation of energy spectra and form factors: applications to models of Bose-Einstein condensates and metallic nanograins

In this review we demonstrate how the algebraic Bethe ansatz is used for the calculation of the-energy spectra and form factors (operator matrix elements in the basis of Hamiltonian eigenstates) in exactly solvable quantum systems. As examples we apply the theory to several models of current interest in the study of Bose-Einstein condensates, which have been successfully created using ultracold dilute atomic gases. The first model we introduce describes Josephson tunnelling between two coupled Bose-Einstein condensates. It can be used not only for the study of tunnelling between condensates of atomic gases, but for solid state Josephson junctions and coupled Cooper pair boxes. The theory is also applicable to models of atomic-molecular Bose-Einstein condensates, with two examples given and analysed. Additionally, these same two models are relevant to studies in quantum optics; Finally, we discuss the model of Bardeen, Cooper and Schrieffer in this framework, which is appropriate for systems of ultracold fermionic atomic gases, as well as being applicable for the description of superconducting correlations in metallic grains with nanoscale dimensions.; In applying all the above models to. physical situations, the need for an exact analysis of small-scale systems is established due to large quantum fluctuations which render mean-field approaches inaccurate.

Gauge fields, geometric phases, and quantum adiabatic pumps

Quantum adiabatic pumping of charge and spin between two reservoirs (leads) has recently been demonstrated in nanoscale electronic devices. Pumping occurs when system parameters are varied in a cyclic manner and sufficiently slowly that the quantum system always remains in its ground state. We show that quantum pumping has a natural geometric representation in terms of gauge fields (both Abelian and non-Abelian) defined on the space of system parameters. Tunneling from a scanning tunneling microscope tip through a magnetic atom could be used to demonstrate the non-Abelian character of the gauge field.

Modeling the optical constants of GaP, InP, and InAs

An extension of the Adachi model with the adjustable broadening function, instead of the Lorentzian one, is employed to model the optical constants of GaP, InP, and InAs. Adjustable broadening is modeled by replacing the damping constant with the frequency-dependent expression. The improved flexibility of the model enables achieving an excellent agreement with the experimental data. The relative rms errors obtained for the refractive index equal 1.2% for GaP, 1.0% for InP, and 1.6% for InAs. (C) 1999 American Institute of Physics. [S0021-8979(99)05807-7].

Vortices and solitons in Bose-condensates

The new science of nonlinear atom optics and atom lasers is evolving rapidly. There are similarities between many related areas in modern photonic and atom optics, particularly at the mean-field level. In both cases we can often use classical nonlinear wave equations to describe classical solitons, vortices, and other nonlinear structure. Atom-molecular coupling can be used to play the role of second-harmonic generation. This leads to novel types of soliton. In addition, quantum effects at low densities are likely to be readily observable.

Parity measurement of one- and two-electron double well systems

We outline a scheme to accomplish measurements of a solid state double well system (DWS) with both one and two electrons in nonlocalized bases. We show that, for a single particle, measuring the local charge distribution at the midpoint of a DWS using a SET as a sensitive electrometer amounts to performing a projective measurement in the parity (symmetric/antisymmetric) eigenbasis. For two-electrons in a DWS, a similar configuration of SET results in close-to-projective measurement in the singlet/triplet basis. We analyze the sensitivity of the scheme to asymmetry in the SET position for some experimentally relevant parameter, and show that it is experimentally realizable.

Ferromagnetism, paramagnetism, and a Curie-Weiss metal in an electron-doped Hubbard model on a triangular lattice

Motivated by the unconventional properties and rich phase diagram of NaxCoO2 we consider the electronic and magnetic properties of a two-dimensional Hubbard model on an isotropic triangular lattice doped with electrons away from half-filling. Dynamical mean-field theory (DMFT) calculations predict that for negative intersite hopping amplitudes (t < 0) and an on-site Coulomb repulsion, U, comparable to the bandwidth, the system displays properties typical of a weakly correlated metal. In contrast, for t > 0 a large enhancement of the effective mass, itinerant ferromagnetism, and a metallic phase with a Curie-Weiss magnetic susceptibility are found in a broad electron doping range. The different behavior encountered is a consequence of the larger noninteracting density of states (DOS) at the Fermi level for t > 0 than for t < 0, which effectively enhances the mass and the scattering amplitude of the quasiparticles. The shape of the DOS is crucial for the occurrence of ferromagnetism as for t > 0 the energy cost of polarizing the system is much smaller than for t < 0. Our observation of Nagaoka ferromagnetism is consistent with the A-type antiferromagnetism (i.e., ferromagnetic layers stacked antiferromagnetically) observed in neutron scattering experiments on NaxCoO2. The transport and magnetic properties measured in NaxCoO2 are consistent with DMFT predictions of a metal close to the Mott insulator and we discuss the role of Na ordering in driving the system towards the Mott transition. We propose that the Curie-Weiss metal phase observed in NaxCoO2 is a consequence of the crossover from a bad metal with incoherent quasiparticles at temperatures T > T-* and Fermi liquid behavior with enhanced parameters below T-*, where T-* is a low energy coherence scale induced by strong local Coulomb electron correlations. Our analysis also shows that the one band Hubbard model on a triangular lattice is not enough to describe the unusual properties of NaxCoO2 and is used to identify the simplest relevant model that captures the essential physics in NaxCoO2. We propose a model which allows for the Na ordering phenomena observed in the system which, we propose, drives the system close to the Mott insulating phase even at large dopings.

Temperature dependence of polaronic transport through single molecules and quantum dots

Motivated by recent experiments on electric transport through single molecules and quantum dots, we investigate a model for transport that allows for significant coupling between the electrons and a boson mode isolated on the molecule or dot. We focus our attention on the temperature-dependent properties of the transport. In the Holstein picture for polaronic transport in molecular crystals the temperature dependence of the conductivity exhibits a crossover from coherent (band) to incoherent (hopping) transport. Here, the temperature dependence of the differential conductance on resonance does not show such a crossover, but is mostly determined by the lifetime of the resonant level on the molecule or dot.

Metal-insulator transition and charge ordering in the extended Hubbard model at one-quarter filling

We study, with exact diagonalization, the zero temperature properties of the quarter-filled extended Hubbard model on a square lattice. We find that increasing the ratio of the intersite Coulomb repulsion, V, to the bandwidth drives the system from a metal to a charge ordered insulator. The evolution of the optical conductivity spectrum with increasing V is in agreement with the observed optical conductivity of several layered molecular crystals with the theta and beta crystal structures.

Influence of constraining and confinement in the molecular mobility of low molecular weight materials

Dissertation presented to obtain a Ph.D. Degree in Chemical Physics

Energy-weighted sum rules for mesons in hot and dense matter

We study energy-weighted sum rules of the pion and kaon propagator in nuclear matter at finite temperature. The sum rules are obtained from matching the Dyson form of the meson propagator with its spectral Lehmann representation at low and high energies. We calculate the sum rules for specific models of the kaon and pion self-energy. The in-medium spectral densities of the K and (K) over bar mesons are obtained from a chiral unitary approach in coupled channels that incorporates the S and P waves of the kaon-nucleon interaction. The pion self-energy is determined from the P-wave coupling to particle-hole and Delta-hole excitations, modified by short-range correlations. The sum rules for the lower-energy weights are fulfilled satisfactorily and reflect the contributions from the different quasiparticle and collective modes of the meson spectral function. We discuss the sensitivity of the sum rules to the distribution of spectral strength and their usefulness as quality tests of model calculations.

Entropic transport in confined media: a challenge for computational studies in biological and soft-matter systems

Transport in small-scale biological and soft-matter systems typically occurs under confinement conditions in which particles proceed through obstacles and irregularities of the boundaries that may significantly alter their trajectories. A transport model that assimilates the confinement to the presence of entropic barriers provides an efficient approach to quantify its effect on the particle current and the diffusion coefficient. We review the main peculiarities of entropic transport and treat two cases in which confinement effects play a crucial role, with the appearance of emergent properties. The presence of entropic barriers modifies the mean first-passage time distribution and therefore plays a very important role in ion transport through micro- and nano-channels. The functionality of molecular motors, modeled as Brownian ratchets, is strongly affected when the motor proceeds in a confined medium that may constitute another source of rectification. The interplay between ratchet and entropic rectification gives rise to a wide variety of dynamical behaviors, not observed when the Brownian motor proceeds in an unbounded medium. Entropic transport offers new venues of transport control and particle manipulation and new ways to engineer more efficient devices for transport at the nanoscale.

Essays in theoretical and applied macroeconomics

Cette thèse s’articule autour de trois chapitres indépendants qui s’inscrivent dans les champs de la macroéconomie, de l’économie monétaire et de la finance internationale. Dans le premier chapitre, je construis un modèle néo-keynesien d’équilibre général sous incertitude pour examiner les implications de la production domestique des ménages pour la politique monétaire. Le modèle proposé permet de reconcilier deux faits empiriques majeurs: la forte sensibilité du produit intérieur brut aux chocs monétaires (obtenue à partir des modèles VAR), et le faible degré de rigidité nominale observé dans les micro-données. Le deuxième chapitre étudie le role de la transformation structurelle (réallocation de la main d’oeuvre entre secteurs) sur la volatilité de la production aggregée dans un panel de pays. Le troisième chapitre quant à lui met en exergue l’importance de la cartographie des échanges commerciaux pour le choix entre un régime de change fixe et l’arrimage à un panier de devises. "Household Production, Services and Monetary Policy" (Chapitre 1) part de l’observation selon laquelle les ménages peuvent produire à domicile des substituts aux services marchands, contrairement aux biens non durables qu’ils acquièrent presque exclusivement sur le marché. Dans ce contexte, ils procèdent à d’importants arbitrages entre produire les services à domicile ou les acquerir sur le marché, dépendamment des changements dans leur revenu. Pour examiner les implications de tels arbitrages (qui s’avèrent être importants dans les micro-données) le secteur domestique est introduit dans un modèle néo-keyenesien d’équilibre général sous incertitude à deux secteurs (le secteur des biens non durables et le secteur des services) autrement standard. Je montre que les firmes du secteur des services sont moins enclin à changer leurs prix du fait que les ménages ont l’option de produire soit même des services substituts. Ceci se traduit par la présence d’un terme endogène supplémentaire qui déplace la courbe de Phillips dans ce secteur. Ce terme croit avec le degré de substituabilité qui existe entre les services produits à domicile et ceux acquis sur le marché. Cet accroissement de la rigidité nominale amplifie la sensibilité de la production réelle aux chocs monétaires, notamment dans le secteur des services, ce qui est compatible avec l’évidence VAR selon laquelle les services de consommation sont plus sensibles aux variations de taux d’intérêt que les biens non durables. "Structural Transformation and the Volatility of Aggregate Output: A Cross-country Analysis" (Chapitre 2) est basée sur l’évidence empirique d’une relation négative entre la part de la main d’oeuvre allouée au secteur des services et la volatilité de la production aggrégée, même lorsque je contrôle pour les facteurs tels que le développement du secteur financier. Ce resultat aggregé est la conséquence des développements sectoriels: la productivité de la main d’oeuvre est beaucoup plus volatile dans l’agriculture et les industries manufacturières que dans les services. La production aggregée deviendrait donc mécaniquement moins volatile au fur et à mesure que la main d’oeuvre se déplace de l’agriculture et de la manufacture vers les services. Pour évaluer cette hypothèse, je calibre un modèle de transformation structurelle à l’économie américaine, que j’utilise ensuite pour générer l’allocation sectorielle de la main d’oeuvre dans l’agriculture, l’industrie et les services pour les autres pays de l’OCDE. Dans une analyse contre-factuelle, le modèle est utlisé pour restreindre la mobilité de la main d’oeuvre entre secteurs de façon endogène. Les calculs montrent alors que le déplacement de la main d’oeuvre vers le secteur des services réduit en effet la volatilité de la production aggregée. "Exchange Rate Volatility under Alternative Peg Regimes: Do Trade Patterns Matter?" (Chapitre 3) est une contribution à la litterature économique qui s’interesse au choix entre divers regimes de change. J’utilise les données mensuelles de taux de change bilatéraux et de commerce extérieur entre 1980 et 2010 pour les pays membre de l’Union Economique et Monétaire Ouest Africaine (UEMOA). La monnaie de ces pays (le franc CFA) est arrimée au franc Francais depuis le milieu des années 40 et à l’euro depuis son introduction en 1999. Au moment de l’arrimage initial, la France était le principal partenaire commercial des pays de l’UEMOA. Depuis lors, et plus encore au cours des dix dernières années, la cartographie des échanges de l’union a significativement changé en faveur des pays du groupe des BICs, notamment la Chine. Je montre dans ce chapitre que l’arrimage à un panier de devises aurait induit une volatilité moins pronnoncée du taux de change effectif nominal du franc CFA au cours de la décennie écoulée, comparé à la parité fixe actuelle. Ce chapitre, cependant, n’aborde pas la question de taux de change optimal pour les pays de l’UEMOA, un aspect qui serait intéressant pour une recherche future.

Méthode de calcul à N-corps basée sur la G0W0 : étude du couplage électron-phonon dans le C60 et développement d’une approche accélérée pour matériaux organiques

La présente thèse porte sur les limites de la théorie de la fonctionnelle de la densité et les moyens de surmonter celles-ci. Ces limites sont explorées dans le contexte d'une implémentation traditionnelle utilisant une base d'ondes planes. Dans un premier temps, les limites dans la taille des systèmes pouvant être simulés sont observées. Des méthodes de pointe pour surmonter ces dernières sont ensuite utilisées pour simuler des systèmes de taille nanométrique. En particulier, le greffage de molécules de bromophényle sur les nanotubes de carbone est étudié avec ces méthodes, étant donné l'impact substantiel que pourrait avoir une meilleure compréhension de ce procédé sur l'industrie de l'électronique. Dans un deuxième temps, les limites de précision de la théorie de la fonctionnelle de la densité sont explorées. Tout d'abord, une étude quantitative de l'incertitude de cette méthode pour le couplage électron-phonon est effectuée et révèle que celle-ci est substantiellement plus élevée que celle présumée dans la littérature. L'incertitude sur le couplage électron-phonon est ensuite explorée dans le cadre de la méthode G0W0 et cette dernière se révèle être une alternative substantiellement plus précise. Cette méthode présentant toutefois de sévères limitations dans la taille des systèmes traitables, différents moyens théoriques pour surmonter ces dernières sont développés et présentés dans cette thèse. La performance et la précision accrues de l'implémentation résultante laissent présager de nouvelles possibilités dans l'étude et la conception de certaines catégories de matériaux, dont les supraconducteurs, les polymères utiles en photovoltaïque organique, les semi-conducteurs, etc.