University, Diss., 2004--Dortmund.

Die Untersuchung stark korrelierter Elektronensysteme anhand des zweidimensionalen Hubbard-Modells bildet das zentrale Thema dieser Arbeit. Wir analysieren das Schicksal des Mott-Isolators bei Dotierung als auch bei Reduzierung der Wechselwirkungsstärke. Die numerische Auswertung erfolgt mit Hilfe von Quanten-Cluster-Approximationen, die eine thermodynamisch konsistente Beschreibung der Grundzustandseigenschaften garantieren. Der hier verwendete Rahmen der Selbstenergiefunktional-Theorie bietet eine große Flexibilität bei der Konstruktion von Cluster-Näherungen. Eine detaillierte Analyse gibt Aufschluss über die Qualität und das Konvergenzverhalten unterschiedlicher Cluster-Näherungen innerhalb der Selbstenergiefunktional-Theorie. Wir verwenden für diese Untersuchungen das eindimensionale Hubbard-Modell und vergleichen unsere Resultate mit der exakten Lösung. In zwei Dimensionen finden wir als Grundzustand des Teilchen-Loch-symmetrischen Modells bei Halbfüllung einen antiferromagnetischen Isolator unabhängig von der Wechselwirkungsstärke. Die Berücksichtigung kurzreichweitiger räumlicher Korrelationen durch unsere Cluster-Näherung führt, im Vergleich mit der dynamischen Mean-Field-Theorie, zu einer deutlichen Verbesserung des antiferromagnetischen Ordnungsparameters. Darüberhinaus beobachten wir in der paramagnetischen Phase einen Metall-Isolator-Übergang als Funktion der Wechselwirkungsstärke, der sich qualitativ vom reinen Mean-Field-Szenario unterscheidet. Ausgehend vom antiferromagnetischen Mott-Isolator zeigt sich ein füllungsgetriebener Metall-Isolator-Übergang in eine paramagnetische metallische Phase. Abhängig von der verwendeten Cluster-Approximation tritt dabei zunächst eine antiferromagnetische metallische Phase auf. Neben langreichweitiger antiferromagnetischer Ordnung haben wir in unseren Rechnungen auch Supraleitung berücksichtigt. Das Verhalten des supraleitenden Ordnungsparameters als Funktion der Dotierung ist dabei in guter Übereinstimmung sowohl mit anderen numerischen Verfahren als auch mit experimentellen Ergebnissen. / The central goal of this thesis is the examination of strongly correlated electron systems on the basis of the two-dimensional Hubbard model. We analyze how the properties of the Mott insulator change upon doping and with interaction strength. The numerical evaluation is done using quantum cluster approximations, which allow for a thermodynamically consistent description of the ground state properties. The framework of self-energy-functional theory offers great flexibility for the construction of cluster approximations. A detailed analysis sheds light on the quality and the convergence properties of different cluster approximations within the self-energy-functional theory. We use the one-dimensional Hubbard model for these examinations and compare our results with the exact solution. In two dimensions the ground state of the particle-hole symmetric model at half-filling is an antiferromagnetic insulator, independent of the interaction strength. The inclusion of short-range spatial correlations by our cluster approach leads to a considerable im\-prove\-ment of the antiferromagnetic order parameter as compared to dynamical mean-field theory. In the paramagnetic phase we furthermore observe a metal-insulator transition as a function of the interaction strength, which qualitatively differs from the pure mean-field scenario. Starting from the antiferromagnetic Mott insulator a filling-controlled metal-insulator transition in a paramagnetic metallic phase can be observed. Depending on the cluster approximation used an antiferromagnetic metallic phase may occur at first. In addition to long-range antiferromagnetic order, we also considered superconductivity in our calculations. The superconducting order parameter as a function of doping is in good agreement with other numerical methods, as well as with experimental results.

Stuttgart, Univ., Diss., 2003.

Stuttgart, Univ., Diss., 2006.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in engl. Sprache.

University, Diss., 2004--Bonn.

In this thesis we consider the hybrid quantum Monte Carlo method for simulations of the Hubbard and Su-Schrieffer-Heeger model. In the first instance, we discuss the hybrid quantum Monte Carlo method for the Hubbard model on a square lattice. We point out potential ergodicity issues and provide a way to circumvent them by a complexification of the method. Furthermore, we compare the efficiency of the hybrid quantum Monte Carlo method with a well established determinantal quantum Monte Carlo method for simulations of the half-filled Hubbard model on square lattices. One reason why the hybrid quantum Monte Carlo method loses the comparison is that we do not observe the desired sub-quadratic scaling of the numerical effort. Afterwards we present a formulation of the hybrid quantum Monte Carlo method for the Su-Schrieffer-Heeger model in two dimensions. Electron-phonon models like this are in general very hard to simulate using other Monte Carlo methods in more than one dimensions. It turns out that the hybrid quantum Monte Carlo method is much better suited for this model . We achieve favorable scaling properties and provide a proof of concept. Subsequently, we use the hybrid quantum Monte Carlo method to investigate the Su-Schrieffer-Heeger model in detail at half-filling in two dimensions. We present numerical data for staggered valence bond order at small phonon frequencies and an antiferromagnetic order at high frequencies. Due to an O(4) symmetry the antiferromagnetic order is connected to a superconducting charge density wave. Considering the Su-Schrieffer-Heeger model without tight-binding hopping reveals an additional unconstrained Z_2 gauge theory. In this case, we find indications for π-fluxes and a possible Z_2 Dirac deconfined phase as well as for a columnar valence bond ordered state at low phonon energies. In our investigations of the several phase transitions we discuss the different possibilities for the underlying mechanisms and reveal first insights into a rich phase diagram. / In der vorliegenden Arbeit betrachten wir die Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode für Simulationen des Hubbard- sowie des Su-Schrieffer-Heeger-Modells. Zunächst diskutieren wir die Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode am Beispiel des Hubbard-Modells auf dem Quadratgitter. Wir zeigen mögliche Ergodizitätsprobleme auf und präsentieren eine Möglichkeit, diese durch Verwendung komplexwertiger Hilfsfelder zu vermeiden. Für Simulationen des halbgefüllten Hubbard-Modells auf Quadratgittern vergleichen wir die Effizienz der Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode mit der einer weit verbreiteten und gebräuchlichen Determinanten-Quanten-Monte-Carlo-Methode. Ein Grund für die Niederlage der Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode in diesem Vergleich ist die Skalierung des benötigten Rechenaufwandes. Die erhoffte sub-quadratische Skalierung in Abhängigkeit von Systemgröße und inverser Temperatur wird nicht beobachtet. Anschließend präsentieren wir eine Formulierung der Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode zur Untersuchung des halbgefüllten Su-Schrieffer-Heeger-Modells in zwei Dimensionen. Elektron-Phonon-Modelle wie dieses sind in mehr als einer Dimension für gewöhnlich mit anderen Quanten-Monte-Carlo-Methoden nur schwer simulierbar. Es stellt sich heraus, dass sich die Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode deutlich besser zur Simulation dieses Modells eignet. Wir erreichen eine vorteilhafte Skalierung des Rechenaufwandes und präsentieren einen Machbarkeitsnachweis. Folglich verwenden wir die Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode für nähere Untersuchungen des Su-Schrieffer-Heeger-Modells. Wir zeigen numerische Resultate für eine gestaffelte Ordnung aus Valenzbindungen bei kleinen Phononfrequenzen und für eine antiferromagnetischen Ordnung bei hohen Frequenzen. Aufgrund einer O(4)-Symmetrie ist die antiferromagnetische Ordnung mit einer supraleitenden Ladungsdichtewelle verknüpft. Ohne Tight-Binding-Hüpfparameter offenbart das Su-Schrieffer-Heeger-Modell eine zusätzliche spezielle Z_2 -Eichsymmetrie, die nicht den Satz von Gauß erfüllt. In diesem Fall finden wir Hinweise für einen π-Flux-Zustand. Bei niedrigen Phononenergien gibt es außerdem Anzeichen für einen möglichen Z_2 Dirac deconfined Zustand sowie eine spaltenweise Ordnung von Valenzbindungen. Bei Untersuchungen der Phasenübergänge beleuchten wir die möglichen Mechanismen, die den Übergängen zugrunde liegen. Zum Abschluss diskutieren wir das vielfältige Phasendiagramm, in welches wir erste Einblicke ermöglichen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mikroskopischen Modellierung von strominduziertem Schalten der Magnetisierung in magnetischen Tunnelstrukturen. Die Tunnelstruktur besteht aus zwei durch einen nichtmagnetischen Isolator voneinander getrennten Ferromagneten und einem Paramagneten, der als Elektronenreservoir dient. Die Ferromagnete werden beide durch das Hubbard-Modell beschrieben. Durch Anlegen einer Spannung verschieben sich die chemischen Potentiale auf beiden Seiten des Isolators, wodurch ein endlicher Tunnelstrom entsteht. Dieser wird im Rahmen des Modells durch eine Hybridisierung zwischen benachbarten Schichten simuliert. Das Modell muss im Nichtgleichgewicht gelöst werden, da aufgrund der unterschiedlichen chemischen Potentiale thermodynamisches Gleichgewicht nicht angenommen werden darf. Daher wird zur analytischen Auswertung der Keldysh-Formalismus verwendet, der eine Erweiterung der Viel-Teilchen-Theorie ins Nichtgleichgewicht darstellt. Da es sich beim Hubbard-Modell um ein nicht exakt lösbares Viel-Teilchen-Modell handelt, wurde in der Arbeit eine approximative Lösung, der sogenannte Nichtgleichgewichtsspektraldichteansatz, entwickelt. Dieser beruht auf einer Hochenergieentwicklung der retardierten Greenfunktion mit Hilfe der exakt berechenbaren Spektralmomente. Die numerischen Resultate stimmen qualitativ mit dem Experiment überein. Insbesondere gelingt es, das Hystereseverhalten der Magnetisierung des freien Ferromagneten in Abhängigkeit der angelegten Spannung korrekt zu reproduzieren. Es kann somit allein durch Anlegen einer Spannung kontrolliert zwischen paralleler und antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierungen geschaltet werden. Dieses Phänomen ist anhand der entsprechenden Quasiteilchenzustandsdichten erklärbar. Weiterhin wird das Verhalten der kritischen Spannung systematisch in Form von Phasendiagrammen dargestellt und diskutiert. / This thesis is concerned with the microscopic modelling of current-induced switching of magnetization in magnetic tunnel junctions. The tunnel junction consists of two ferromagnets which are divided by a nonmagnetic insulator and a paramagnet, which acts as an electron reservoir. The ferromagnets are both described by the Hubbard model. By applying a voltage the chemical potentials on both sides of the insulator are shifted which results in a finite tunneling current. Within the model the current is simulated by a hybridization between neighbouring regions. The model has to be solved in non-equilibrium since thermal equilibrium requires a constant chemical potential for the whole system, which is not the case due to the voltage. Thus the Keldysh formalism will be used for evaluating the model. Since the Hubbard model is not exactly solvable one needs approximations. In this work a non-equilbrium spectral density approach is developed. It is based on a high-energy expansion of the retarded Green''s function and takes interactions beyond the mean field level into account. The numerical results of the theory are in qualitative agreement with experiments. It will be shown that it is possible to correctly get the hysterisis behaviour of the magnetization of the free ferromagnet in dependence on the applied voltage. Thus the relative alignment of the two magnetizations can be switched just by applying an electric field. This can be explained with the corresponding quasiparticle densities of state. Furthermore the behaviour of the critical voltage will be discussed systematically by calculating phase diagrams of the tunnel junction.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluß der reduzierten Translationssymmetrie auf die magnetischen Eigenschaften in dünnen Filmen und an Oberflächen auf der Basis des stark korrelierten Hubbard-Modells untersucht. Zunächst wird die Möglichkeit von spontanem Ferromagnetismus im Hubbard-Modell für translationssymmetrische Systeme diskutiert.Verschiedene Näherungsmethoden zur Lösung des Vielteilchenproblems des Hubbard-Modells werden detailliert beschrieben und mit Ergeb nissen von Quanten-Monte-Carlo-Rechnungen verglichen. Die Konsistenz mit exakten Resultaten über die grobe Struktur der Ein-Teilchen-Spektraldichte im Limes starker Coulomb- Wechselwirkung zwischen den Elektronen erweist sich als essentiell wichtig für eine qualitativ korrekte Beschreibung von spontanem Ferromagnetismus. Das Temperaturverhalten in der ferromagnetischen Phase wird anhand von Magnetisierungs kurven sowie mit Hilfe des spinabhängigen Quasiteilchenspekt rums ausführlich diskutiert. Ein genaues Verständnis der Physik des Volumensystems liefert die Basis für den Übergang zu Systemen mit reduzierter Translationssymmetrie. Es wird eine Methode vorgestellt mit der sich approximative Theorien für das translationssymmetrische Hubbard-Modell auf die Behandlung von Filmsystemen verallgemeinern lassen. Die magnetischen Eigenschaften dünner Hubbard-Filme werden mit Hilfe der lagenabhängigen Magnetisierung als Funktion der Temperatur sowie der Filmdicke diskutiert. Die Abhängigkeit der Curie-Temperatur von der Filmdicke wird untersucht. Insbesondere wird auf die Frage nach der magnetischen Stabilität an der Oberfläche eingegangen. In stark korrelierten Elektronensystemen ist für endliche Temperaturen die magnetische Stabilität an der Oberfläche reduziert im Vergleich zu den inneren Lagen, obwohl auf der Basis des bekannten Stoner-Bildes für Bandmagnetismus genau der gegenteilige Trend zu erwarten wäre. Es wird gezeigt,daß sich dieses Verhalten anhand einfacher Argumente versteh en läßt. Die magnetischen Eigenschaften der Hubbard-Filme lassen sich im Detail mit Hilfe der lokalen Quasiteilchenzus tandsdichte sowie der wellenvektorabhängigen Spektraldichte analysieren. Die elektronische Struktur zeigt eine ausgeprägte Spin-, Lagen- und Temperaturabhängigkeit. In einem weiteren Teil der Arbeit wird der temperaturgetrieb ene Reorientierungsübergang der Magnetisierungsrichtung in dünnen metallischen Filmen untersucht. Dazu müssen die die Hubbard-Filme um anisotrope Beiträge der Dipol-Wechselwir kung und der Spin-Bahn-Wechsel wirkung erweitert werden. Das Wechselspiel von Dipol- und Spin-Bahn-Anisotropie führt unter gewissen Bedingungen zu einem Reorientierungsübergang als Funktion der Temperatur. Im Rahmen des hier vorgestellten Zugangs lassen sich sowohl Reorientierungsüber gänge von einer senkrechten in eine parallele Position ("Fe-artig") als auch Reorientierungsübergänge von einer parallelen in eine senkrechte Position ("Ni-artig") der Magnetisierung qualitativ korrekt beschreiben. / In this work the influence of the reduced translational symmetry on the magnetic properties of thin itinerant-electr on films and surfaces is investigated within the strongly correlated Hubbard model. Firstly, the possibility of spontaneous ferromagnetism in the Hubbard model is discussed for the case of systems with full translational symmetry. Different approximation schemes for the solution of the many -body problem of the Hubbard model are introduced and discussed in detail. It is found that it is vital for a reasonable description of spontaneous ferromagnetism to be consistent with exact results concerning the general shape of the single-electron spectral density in the limit of strong Coulomb interaction between the electrons. The temperature dependence of the ferromagnetic solutions is discussed in detail by use of the magnetization curves as well as the spin-dependent quasiparticle spectrum. For the investigation of thin films and surfaces the approximation schemes for the bulk system have to be generalized to deal with the reduced translational symmetry. The magnetic behavior of thin Hubbard films is investigated by use of the layer-dependent magnetization as a function of temperature as well as the thickness of the film. The Curie-temperature is calculated as a function of the film thickness. Further, the magnetic stability at the surface is discussed in detail. Here it is found that for strong Coulomb interaction the magnetic stability at finite temperatures is reduced at the surface compared to the inner layers. This observation clearly contradicts the well-known Stoner picture of bandmagnetism and can be explained in terms of general arguments which are based on exact results in the limit of strong Coulomb interaction. The magnetic behavior of the Hubbard films can be analyzed in detail by inspecting the local quasiparticle density of states as well as the wave vector dependent spectral density. The electronic structure is found to be strongly spin-, layer-, and temperature- dependent. The last part of this work is concerned about the temperature-driven reorientation transition in thin metallic films. For the description of the magnetic anisotropy in thin films the dipole interaction as well as the spin-orbit interaction have to be included in the model. By calculating the temperature-dependence of the magnetic anisotropy energy it is found that both types of temperature-driven reorientation transitions, from out-of-plane to in-plane ("Fe-type") and from in-plane to out-of-plane ("Ni-type") magnetization are possible within the generalized Hubbard films.

Die Untersuchung von korrelationsinduzierten Effekten, wie beispielsweise der kollektiven magnetischen Ordnung, verlangt einen Einblick in die elektronische Struktur der Festkörper. Hier stehen mit den Ein-Teilchen-Spektroskopien (Photoemission und inverse Photoemission) sowie den Zwei-Teilchen-Spektroskopien (Auger-Elektronen- und Appearance-Potential-Spektroskopien) nützliche experimentelle Werkzeuge zur Verfügung. Eine adäquate Interpretation der experimentell ermittelten Spektren erfordert die Berücksichtigung (i) der elektronischen Korrelationen, (ii) der orbitalen Entartung sowie (iii) der Übergangsmatrixelemente. Der vorliegenden Arbeit liegt ein Multiband-Hubbard-Modell zugrunde, das die Hopping- und Hybridisierungsprozesse der für die 3d-Übergangsmetalle relevanten Orbitale (4s-, 4p- und 3d-Orbitale) und die lokalen Coulomb-Wechselwirkungen der stark lokalisierten 3d-Elektronen beschreibt. Die Hopping- und Hybridisierungsparameter werden Bandstrukturrechnungen (lokale Dichteapproximation der Dichtefunktionaltheorie) entnommen. Als Ein-Teilchen-Basis werden quasiatomare Orbitale verwendet, deren hohe Symmetrie es erlaubt, die vollständige lokale 3d-Coulomb-Matrix mithilfe von lediglich drei Zahlen (effektive Slater-Parameter) zu parametrisieren. Fasst man die effektiven Slater-Parameter zu einer mittleren direkten Wechselwirkungsstärke U und einer mittleren Austauschwechselwirkungsstärke J zusammen, so sind U und J die beiden einzigen Parameter des Modells, die dann an experimentelle Daten (z.B. Spinmoment bei T=0K) angepasst werden können. Für die Berechnung der Ein-Teilchen-Green-Funktion, die die Photoemissionsspektren bestimmt, wird die Störungstheorie zweiter Ordnung um die Hartree-Fock-Lösung verwendet und damit die Magnetisierung als Funktion der Temperatur für Nickel berechnet. Die Kombination der errechneten Green-Funktion mit den Übergangsmatrixelementen der Photoemission gestattet dann einen quantitiven Vergleich mit experimentellen spin- und winkelaufgelösten Daten für endliche Temperaturen und verschiedene Photonenenergien. Die Zwei-Teilchen-Spektren lassen sich als Funktionale der Ein-Teilchen-Green-Funktion auffassen. Durch die Verwendung sogenannter Leiter-Näherungen werden nicht nur die Wechselwirkungen der an den Übergangsprozessen beteiligten Teilchen mit dem Restsystem (Selbstenergieeinschübe) berücksichtigt, sonderen auch die Wechselwirkungen der direkt am Prozess beteiligten Teilchen untereinander (Endzustandskorrelationen). Die Verwendung des Zwei-Stufen-Modells impliziert jedoch, dass die Valenzbandelektronen das Potential des zuvor erzeugten Core-Lochs abschirmen werden, was sich insbesondere auf die Auger-Spektren auswirkt. Am Beispiel der Appearance-Potential-Spektren wird die vielteilchentheoretisch berechnete Green-Funktion mit entsprechenden Übergangsmatrixelementen kombiniert. Die resultierenden Spektren sind für alle betrachteten Temperaturen in sehr guter Übereinstimmung mit gemessenen Spektren. / The investigation of correlation-induced effects, as for example the collective magnetic order, requires an insight into the electronic structure of solids. In this context the one-particle spectroscopies (photoemission and inverse photoemission) as well as the two-particle spectroscopies (Auger electron and appearance potential spectroscopies) represent useful experimental tools. An adequate interpretation of the experimentally determined spectra requires the consideration of (i) electronic correlations, (ii) orbital degeneration as well as (iii) transition-matrix elements. The present work uses a multi-band Hubbard model, which describes the hopping and hybridization processes of the relevant orbitals in the 3d-transition metals (4s, 4p and 3d orbitals) and the local Coulomb interactions of the strongly localized 3d electrons. The hopping and hybridization parameters are taken from band-structure calculations (local density approximation of the density functional theory). As one-particle basis quasi-atomic orbitals are used, whose high symmetry permits it to parameterize the complete local Coulomb-matrix among 3d-electrons by only three numbers (effective Slater parameters). If one combines the effective Slater parameters into an averaged direct interaction strength U and an averaged exchange interaction strength J, then U and J are the only parameters of the model, which can be fitted to experimental data (e.g. spin moment at T=0K). For the calculation of the one-particle Green function, which determines the photoemission spectra, the second order perturbation theory around the Hartree-Fock solution is used. Within this framework the magnetization as function of the temperature is calculated for nickel. The combination of the calculated Green function and the photoemission transition-matrix elements permits a quantitative comparison with spin- and angle-resolved measurements for finite temperatures and different photon energies. The two-particle spectra can be understood as functionals of the one-particle Green function. Due to the usage of so called ladder approximations one is able to account not only for the correlations between the considered particles and the remainder system (self-energy insertations) but also for the correlations among those particles directly involved in the transition (final state correlations). The usage of the two-step model implies, however, that the valence band electrons tend to screen the additional potential of the core hole created before, which in particular affects the Auger spectra. As an example, the appearance potential spectra of nickel are calculated by combining the corresponding Green function with appropriate transition-matrix elements. The resulting spectra are in a very good agreement with measured spectra for all temperatures.