Thermal phase transitions for Dicke-type models in the ultrastrong-coupling limit

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Macroscopic quantum tunneling in a dc SQUID: Instanton splitting

The theory of macroscopic quantum tunneling is applied to a current-biased dc SQUID which constitutes a system of two interacting quantum degrees of freedom coupled to the environment. The decay probability is obtained in the exponential approximation for the overdamped case. Close to the critical driving force of the system, the decay of the metastable state is determined by a unique instanton solution describing the symmetric decay of the phases in each of the two Josephson juctions. Upon reducing the external driving force a new regime is reached where the instanton splits. The doubling of the decay channels reduces the decreasing of the decay rate in the quantum regime. A current-temperature phase diagram is constructed based on the Landau theory of phase transitions. Depending on the external parameters the system develops either a first- or a second-order transition to the split-instanton regime. © 1994 The American Physical Society.

Probing the infraed behavior of the ghost-gluon vertex in quantum chromodynamics

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen mit der RI-CC2-Methode: Implementierung und Anwendung auf Triplett-Excimere

Die Themengebiete dieser Arbeit umfassen sowohl methodische Weiterentwicklungen im Rahmen der ab initio zweiter Ordnungsmethoden CC2 und ADC(2) als auch Anwendungen dieser Weiterentwick-lungen auf aktuelle Fragestellungen. Die methodischen Erweiterungen stehen dabei hauptsächlich im Zusammenhang mit Übergangsmomenten zwischen angeregten Zuständen. Durch die Implementie-rung der selbigen ist nun die Berechnung transienter Absorptionsspektren möglich. Die Anwendungen behandeln vorwiegend das Feld der organischen Halbleiter und deren photo-elektronische Eigen-schaften. Dabei spielen die bislang wenig erforschten Triplett-Excimere eine zentrale Rolle.rnDie Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen wurden in das Programmpaket TUR-BOMOLE implementiert. Dadurch wurde die Berechnung der Übergangsmomente zwischen Zustän-den gleicher Multiplizität (d.h. sowohl Singulett-Singulett- als auch Triplett-Triplett-Übergänge) und unterschiedlicher Multiplizität (also Singulett-Triplett-Übergänge) möglich. Als Erweiterung wurde durch ein Interface zum ORCA Programm die Berechnung von Spin-Orbit-Matrixelementen (SOMEs) implementiert. Des Weiteren kann man mit dieser Implementierung auch Übergänge in offenschaligen Systemen berechnen. Um den Speicherbedarf und die Rechenzeit möglichst gering zu halten wurde die resolution-of-the-identity (RI-) Näherung benutzt. Damit lässt sich der Speicherbedarf von O(N4) auf O(N3) reduzieren, da die mit O(N4) skalierenden Größen (z. B. die T2-Amplituden) sehr effizient aus RI-Intermediaten berechnet werden können und daher nicht abgespeichert werden müssen. Dadurch wird eine Berechnung für mittelgroße Moleküle (ca. 20-50 Atome) mit einer angemessenen Basis möglich.rnDie Genauigkeit der Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen wurde für einen Testsatz kleiner Moleküle sowie für ausgewählte größere organische Moleküle getestet. Dabei stellte sich her-aus, dass der Fehler der RI-Näherung sehr klein ist. Die Vorhersage der transienten Spektren mit CC2 bzw. ADC(2) birgt allerdings ein Problem, da diese Methoden solche Zustände nur sehr unzureichend beschreiben, welche hauptsächlich durch zweifach-Anregungen bezüglich der Referenzdeterminante erzeugt werden. Dies ist für die Spektren aus dem angeregten Zustand relevant, da Übergänge zu diesen Zuständen energetisch zugänglich und erlaubt sein können. Ein Beispiel dafür wird anhand eines Singulett-Singulett-Spektrums in der vorliegenden Arbeit diskutiert. Für die Übergänge zwischen Triplettzuständen ist dies allerdings weniger problematisch, da die energetisch niedrigsten Doppelan-regungen geschlossenschalig sind und daher für Tripletts nicht auftreten.rnVon besonderem Interesse für diese Arbeit ist die Bildung von Excimeren im angeregten Triplettzu-stand. Diese können aufgrund starker Wechselwirkungen zwischen den π-Elektronensystemen großer organischer Moleküle auftreten, wie sie zum Beispiel als organische Halbleiter in organischen Leucht-dioden eingesetzt werden. Dabei können die Excimere die photo-elktronischen Eigenschaften dieser Substanzen signifikant beeinflussen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden daher zwei solcher Sys-teme untersucht, [3.3](4,4’)Biphenylophan und das Naphthalin-Dimer. Hierzu wurden die transienten Anregungsspektren aus dem ersten angeregten Triplettzustand berechnet und diese Ergebnisse für die Interpretation der experimentellen Spektren herangezogen. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen den berechneten und den experimentellen Spektren konnte gezeigt werden, dass es für eine koplanare Anordnung der beiden Monomere zu einer starken Kopplung zwischen lokal angereg-ten und charge-transfer Zuständen kommt. Diese Kopplung resultiert in einer signifikanten energeti-schen Absenkung des ersten angeregten Zustandes und zu einem sehr geringen Abstand zwischen den Monomereinheiten. Dabei ist der angeregte Zustand über beide Monomere delokalisiert. Die star-ke Kopplung tritt bei einem intermolekularen Abstand ≤4 Å auf, was einem typischen Abstand in orga-nischen Halbleitern entspricht. In diesem Bereich kann man zur Berechnung dieser Systeme nicht auf die Förster-Dexter-Theorie zurückgreifen, da diese nur für den Grenzfall der schwachen Kopplung gültig ist.

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.

The bulk transition of many-flavour QCD and the search for a UVFP at strong coupling

We explore the nature of the bulk transition observed at strong coupling in the SU(3) gauge theory with Nf=12 fermions in the fundamental representation. The transition separates a weak coupling chirally symmetric phase from a strong coupling chirally broken phase and is compatible with the scenario where conformality is restored by increasing the flavour content of a non abelian gauge theory. We explore the intriguing possibility that the observed bulk transition is associated with the occurrence of an ultraviolet fixed point (UVFP) at strong coupling, where a new theory emerges in the continuum.

Phase identity of the maize leaf is determined after leaf initiation

The vegetative development of the maize shoot can be divided into juvenile and adult phases based on the types of leaves produced at different times in shoot development. Models for the regulation of phase change make explicit predictions about when the identity of these types of leaves is determined. To test these models, we examined the timing of leaf type determination in maize. Clones induced in transition leaf primordia demonstrated that the juvenile and adult regions of these leaves do not become clonally distinct until after the primordium is 700 μm in length, implying that these cell fates were undetermined at this stage of leaf development. Adult shoot apices were cultured in vitro to induce rejuvenation. We found that leaf primordia as large as 3 mm in length can be at least partially rejuvenated by this treatment, and the location of rejuvenated tissue is correlated with the maturation pattern of the leaf. The amount and distribution of juvenile tissue in rejuvenated leaves suggests that rejuvenation occurs nearly simultaneously in all leaf primordia. In vitro culture rejuvenated existing leaf primordia and the P0 primordium, but did not change the identity of subsequent primordia or the total number of leaves produced by the shoot. This result suggests that leaf identity can be regulated independently of the identity of the shoot apical meristem, and it implies that vegetative phase change is not initiated by a change in the identity of the shoot apical meristem.

Indirect coupling of phosphate release to de novo tension generation during muscle contraction.

A key question in muscle contraction is how tension generation is coupled to the chemistry of the actomyosin ATPase. Biochemical and mechanochemical experiments link tension generation to a change in structure associated with phosphate release. Length-jump and temperature-jump experiments, on the other hand, implicate phase 2slow, a significantly faster, markedly strain-sensitive kinetic process in tension generation. We use a laser temperature jump to probe the kinetics and mechanism of tension generation in skinned rabbit psoas fibers--an appropriate method since both phosphate release and phase 2slow are readily perturbed by temperature. Kinetics characteristic of the structural change associated with phosphate release are observed only when phosphate is added to fibers. When present, it causes a reduction in fiber tension; otherwise, no force is generated when it is perturbed. We therefore exclude this step from tension generation. The kinetics of de novo tension generation by the temperature-jump equivalent of phase 2slow appear unaffected by phosphate binding. We therefore propose that phosphate release is indirectly coupled to de novo tension generation via a steady-state flux through an irreversible step. We conclude that tension generation occurs in the absence of chemical change as the result of an entropy-driven transition between strongly bound crossbridges in the actomyosin-ADP state. The mechanism resembles the operation of a clock, with phosphate release providing the energy to tension the spring, and the irreversible step functions as the escapement mechanism, which is followed in turn by tension generation as the movement of the hands.

Quantum spin Hall phase in multilayer graphene

The so-called quantum spin Hall phase is a topologically nontrivial insulating phase that is predicted to appear in graphene and graphenelike systems. In this paper we address the question of whether this topological property persists in multilayered systems. We consider two situations: purely multilayer graphene and heterostructures where graphene is encapsulated by trivial insulators with a strong spin-orbit coupling. We use a four-orbital tight-binding model that includes full atomic spin-orbit coupling and we calculate the Z2 topological invariant of the bulk states as well as the edge states of semi-infinite crystals with armchair termination. For homogeneous multilayers we find that even when the spin-orbit interaction opens a gap for all possible stackings, only those with an odd number of layers host gapless edge states while those with an even number of layers are trivial insulators. For heterostructures where graphene is encapsulated by trivial insulators, it turns out that interlayer coupling is able to induce a topological gap whose size is controlled by the spin-orbit coupling of the encapsulating materials, indicating that the quantum spin Hall phase can be induced by proximity to trivial insulators.

Dual-symmetric Lagrangians in quantum electrodynamics: I. Conservation laws and multi-polar coupling

By using a complex field with a symmetric combination of electric and magnetic fields, a first-order covariant Lagrangian for Maxwell's equations is obtained, similar to the Lagrangian for the Dirac equation. This leads to a dual-symmetric quantum electrodynamic theory with an infinite set of local conservation laws. The dual symmetry is shown to correspond to a helical phase, conjugate to the conserved helicity. There is also a scaling symmetry, conjugate to the conserved entanglement. The results include a novel form of the photonic wavefunction, with a well-defined helicity number operator conjugate to the chiral phase, related to the fundamental dual symmetry. Interactions with charged particles can also be included. Transformations from minimal coupling to multi-polar or more general forms of coupling are particularly straightforward using this technique. The dual-symmetric version of quantum electrodynamics derived here has potential applications to nonlinear quantum optics and cavity quantum electrodynamics.

Effect of electron-phonon coupling on transmission through Luttinger liquid hybridized with resonant level

We show that electron-phonon coupling strongly affects transport properties of the Luttinger liquid hybridized with a resonant level. Namely, this coupling significantly modifies the effective energy-dependent width of the resonant level in two different geometries, corresponding to the resonant or antiresonant transmission in the Fermi gas. This leads to a rich phase diagram for a metal-insulator transition induced by the hybridization with the resonant level.

The effect of slow passage in the pulse-pumped quantum dot laser

In recent years, quantum-dot (QD) semiconductor lasers attract significant interest in many practical applications due to their advantages such as high-power pulse generation because to the high gain efficiency. In this work, the pulse shape of an electrically pumped QD-laser under high current is analyzed. We find that the slow rise time of the pulsed pump may significantly affect the high intensity output pulse. It results in sharp power dropouts and deformation of the pulse profile. We address the effect to dynamical change of the phase-amplitude coupling in the proximity of the excited state (ES) threshold. Under 30ns pulse pumping, the output pulse shape strongly depends on pumping amplitude. At lower currents, which correspond to lasing in the ground state (GS), the pulse shape mimics that of the pump pulse. However, at higher currents the pulse shape becomes progressively unstable. The instability is greatest when in proximity to the secondary threshold which corresponds to the beginning of the ES lasing. After the slow rise stage, the output power sharply drops out. It is followed by a long-time power-off stage and large-scale amplitude fluctuations. We explain these observations by the dynamical change of the alpha-factor in the QD-laser and reveal the role of the slowly rising pumping processes in the pulse shaping and power dropouts at higher currents. The modeling is in very good agreement with the experimental observations. © 2014 SPIE.

Quantum transition state theory and solving a first order master equation for complex reactions numerically

The field of chemical kinetics is an exciting and active field. The prevailing theories make a number of simplifying assumptions that do not always hold in actual cases. Another current problem concerns a development of efficient numerical algorithms for solving the master equations that arise in the description of complex reactions. The objective of the present work is to furnish a completely general and exact theory of reaction rates, in a form reminiscent of transition state theory, valid for all fluid phases and also to develop a computer program that can solve complex reactions by finding the concentrations of all participating substances as a function of time. To do so, the full quantum scattering theory is used for deriving the exact rate law, and then the resulting cumulative reaction probability is put into several equivalent forms that take into account all relativistic effects if applicable, including one that is strongly reminiscent of transition state theory, but includes corrections from scattering theory. Then two programs, one for solving complex reactions, the other for solving first order linear kinetic master equations to solve them, have been developed and tested for simple applications.

Resonance fluorescence spectrum of a \Lambda-type quantum emitter close to a metallic nanoparticle

We theoretically study the resonance fluorescence spectrum of a three-level quantum emitter coupled to a spherical metallic nanoparticle. We consider the case that the quantum emitter is driven by a single laser field along one of the optical transitions. We show that the development of the spectrum depends on the relative orientation of the dipole moments of the optical transitions in relation to the metal nanoparticle. In addition, we demonstrate that the location and width of the peaks in the spectrum are strongly modified by the exciton-plasmon coupling and the laser detuning, allowing to achieve controlled strongly subnatural spectral line. A strong antibunching of the fluorescent photons along the undriven transition is also obtained. Our results may be used for creating a tunable source of photons which could be used for a probabilistic entanglement scheme in the field of quantum information processing.

Phase Transitions in Engineered Ultracold Quantum Systems

The study of quantum degenerate gases has many applications in topics such as condensed matter dynamics, precision measurements and quantum phase transitions. We built an apparatus to create 87Rb Bose-Einstein condensates (BECs) and generated, via optical and magnetic interactions, novel quantum systems in which we studied the contained phase transitions. For our first experiment we quenched multi-spin component BECs from a miscible to dynamically unstable immiscible state. The transition rapidly drives any spin fluctuations with a coherent growth process driving the formation of numerous spin polarized domains. At much longer times these domains coarsen as the system approaches equilibrium. For our second experiment we explored the magnetic phases present in a spin-1 spin-orbit coupled BEC and the contained quantum phase transitions. We observed ferromagnetic and unpolarized phases which are stabilized by the spin-orbit coupling’s explicit locking between spin and motion. These two phases are separated by a critical curve containing both first-order and second-order transitions joined at a critical point. The narrow first-order transition gives rise to long-lived metastable states. For our third experiment we prepared independent BECs in a double-well potential, with an artificial magnetic field between the BECs. We transitioned to a single BEC by lowering the barrier while expanding the region of artificial field to cover the resulting single BEC. We compared the vortex distribution nucleated via conventional dynamics to those produced by our procedure, showing our dynamical process populates vortices much more rapidly and in larger number than conventional nucleation.