>Magister Scientiae - MSc / In Monte Carlo path simulations, which are used extensively in computational -finance, one is interested in the expected value of a quantity which is a functional of the solution to a stochastic differential equation [M.B. Giles, Multilevel Monte Carlo Path Simulation: Operations Research, 56(3) (2008) 607-617] where we have a scalar function with a uniform Lipschitz bound. Normally, we discretise the stochastic differential equation numerically. The simplest estimate for this expected value is the mean of the payoff (the value of an option at the terminal period) values from N independent path simulations. The multilevel Monte Carlo path simulation method recently introduced by Giles exploits strong convergence properties to improve the computational complexity by combining simulations with different levels of resolution. This new method improves on the computational complexity of the standard Monte Carlo approach by considering Monte Carlo simulations with a geometric sequence of different time steps following the approach of Kebaier [A. Kebaier, Statistical Romberg extrapolation: A new variance reduction method and applications to options pricing. Annals of Applied Probability 14(4) (2005) 2681- 2705]. The multilevel method makes computation easy as it estimates each of the terms of the estimate independently (as opposed to the Monte Carlo method) such that the computational complexity of Monte Carlo path simulations is minimised. In this thesis, we investigate this method in pricing path-dependent options and the computation of option price sensitivities also known as Greeks.

This study attempts to quantify the shocks to a banking network and analyze the transfer of shocks through the network. We consider two sources of shocks: external shocks due to market and macroeconomic factors which impact the entire banking system, and idiosyncratic shocks due to failure of a single bank. The external shocks will be estimated by using two methods: (i) non-parametric simulation of the time series of shocks that occurred to the banking system in the past, and (ii) using the extreme value theory (EVT) to model the tail part of the shocks. The external shocks we considered in this study are due to exchange rate and treasury bill rate volatility. Also, an ARMA/GARCH model is used to extract iid residuals for this purpose. In the next step, the probability of the failure of banks in the system is studied by using Monte Carlo simulation. We calibrate the model such that the network resembles the Canadian banking system.

Nowadays, as oil industry gradually moves towards deep sea fields with water depth more than 1000 meters, they are subjected to several threats which can cause failure of the pipeline, of which the accidentally-dropped objects have become the leading external risk factor for subsea developments. In this thesis, a sample field layout introduced in Det Norske Veritas (DNV) guide rules is selected as the study case with 100 m water depth. Six different groups of dropped objects are used in this paper. The conditional hit probability for long/flat shaped objects will be calculated with the methods from both DNV rules and an in-house tool Dropped Objects Simulator (DROBS). The difference between the results will be discussed. Meanwhile, the sensitivity analysis on mass, collision area , the volume, added mass coefficient and drag coefficient of the objects are calculated.

Les protocoles de traitement du cancer par Radiothérapie Conformationnelle par Modulation d'Intensité (RCMI) ciblent avec une précision de plus en plus grande la tumeur. Pour cela, ils nécessitent des informations anatomiques précises du patient juste avant le traitement, qui peuvent d'être obtenues à l'aide de systèmes d'imagerie embarqués sur l'accélérateur linéaire médical délivrant le faisceau de traitement. Ces systèmes, composés d'un tube à rayons X et d'un détecteur 2D planaire, sont appelés kV-Cone Beam CT (kV-CBCT). Aujourd'hui, leur usage est très fortement répandu dans le cadre des traitements par RCMI. Cependant, ces examens kV-CBCT sont responsables d'une dose de rayonnements ionisants additionnelle qui est loin d'être négligeable et pouvant d'être à l'origine de l'apparition d'effets secondaires, tels que des cancers radio-induits chez les patients traités. Au cours de cette thèse, un simulateur basé sur la méthode de Monte-Carlo a été développé permettant ainsi d'estimer avec précision les doses délivrées aux organes lors des examens d'imagerie kV-CBCT. Cet outil a ensuite été utilisé afin d'étudier différentes stratégies de prise en compte clinique de ces doses additionnelles. L'étude présentée dans ce manuscrit propose notamment une méthode rapide d'estimation des niveaux de doses délivrés aux organes prenant en compte la morphologie de chaque patient. Cette stratégie a été développée à partir d'une cohorte de 50 patients incluant 40 enfants et 10 adultes. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'unité de physique médicale du Centre Eugène Marquis à Rennes qui a fourni les données cliniques nécessaires à l'étude. / Protocols for cancer treatment using intensity-modulated radiation therapy (IMRT) allow to target the tumor with an increased precision. They require accurate anatomical information of the patient just before the treatment, which can be obtained using on-board imaging systems mounted on the medical linear accelerator delivering the treatment beam. These systems, composed of an X-ray tube and a 2D planar detector, are called kV-Cone Beam CT (kV-CBCT). Nowadays, they are widely used in the context of IMRT treatments. However, these kV-CBCT examinations are also responsible for an additional dose of ionizing radiations which is far to be negligible and could be the cause for secondary effects, such as radiation-induced second cancers for treated patients. During this PhD work, a simulator based on the Monte Carlo method was developed in order to calculate accurately the doses delivered to organs during kV-CBCT examinations. Then, this tool was used to study several strategies to take in account for the imaging additional doses in clinical environment. The study reported here includes, in particular, a fast and personalized method to estimate the doses delivered to organs. This strategy was developed using a cohort of 50 patients including 40 children and 10 adults. This work has been done in collaboration with the medical physics unit of the Eugène Marquis medical center in Rennes, which has collected the clinical data used for this study.

Commodity trading firms work to remain competitive in the evolving agricultural industry. They work to become more efficient by increasing economies of size and scale, vertically and horizontally integrating, and diversifying geographically, or any combination of these avenues. Geographically diverse firms have access to multiple origins between which, spatial arbitrage opportunities can occur. When spatial arbitrage opportunities occur, firms take advantage of them to generate profit. Origin switching options are one way to take advantage of these opportunities. Origin switching option allow the seller of grain to fill a contract with any listed origin at the cost of the premium negotiated. This thesis helps to determine the value of these origin type switching options by developing a Monte Carlo simulation model with real option analysis. Soybean and corn markets are analyzed in the U.S. Gulf, Pacific Northwest, Brazil, Argentine, and origins with China and Japan as the respective destinations.

We suggest a computational approach for estimating the ring-like deposition of nanoparticles contained in a drying liquid droplet. The proposed method involves a Monte Carlo scheme, based on three independent probabilistic processes: (a) evaporation at the liquid surface, (b) convective motion of nanoparticles to the contact line, and (c) treatment of the nanoparticles floating in the air. According to the computational results, while the liquid is evaporating in nanoparticle-suspended liquid droplet (NSLD), the nanoparticles are moved to the contact line as the mass of droplet decreases linearly with time. Since the resulting ring-like deposition can be accounted for in terms of nanoparticle mobility and liquid evaporation from the droplet, our computational approach achieves a morphological and kinematical description of NSLD drying. Some other important features, such as self-pinning of the contact line, reduction of the droplet radius, and pattern formation, are also obtained from this simulation.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21103号 / 工博第4467号 / 新制||工||1694(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 田中 功, 教授 中村 裕之, 准教授 弓削 是貴 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Adding interactions to topological (non-)trivial free fermion systems can in general have four different effects: (i) In symmetry protected topological band insulators, the correlations may lead to the spontaneous breaking of some protecting symmetries by long-range order that gaps the topological boundary modes. (ii) In free fermion (semi-)metal, the interaction could vice versa also generate long-range order that in turn induces a topological mass term and thus generates non-trivial phases dynamically. (iii) Correlation might reduce the topological classification of free fermion systems by allowing adiabatic deformations between states of formerly distinct phases. (iv) Interaction can generate long-range entangled topological order in states such as quantum spin liquids or fractional quantum Hall states that cannot be represented by non-interacting systems. During the course of this thesis, we use numerically exact quantum Monte Carlo algorithms to study various model systems that (potentially) represent one of the four scenarios, respectively. First, we investigate a two-dimensional $d_{xy}$-wave, spin-singlet superconductor, which is relevant for high-$T_c$ materials such as the cuprates. This model represents nodal topological superconductors and exhibits chiral flat-band edge states that are protected by time-reversal and translational invariance. We introduce the conventional Hubbard interaction along the edge in order to study their stability with respect to correlations and find ferromagnetic order in case of repulsive interaction as well as charge-density-wave order and/or additional $i$s-wave pairing for attractive couplings. A mean-field analysis that, for the first time, is formulated in terms of the Majorana edge modes suggests that any order has normal and superconducting contributions. For example, the ferromagnetic order appears in linear superposition with triplet pairing. This finding is well confirmed by the numerically exact quantum Monte Carlo investigation. Second, we consider spinless electrons on a two-dimensional Lieb lattice that are subject to nearest-neighbor Coulomb repulsion. The low energy modes of the free fermion part constitute a spin-$1$ Dirac cone that might be gapped by several mass terms. One option breaks time-reversal symmetry and generates a topological Chern insulator, which mainly motivated this study. We employ two flavors of quantum Monte Carlo methods and find instead the formation of charge-density-wave order that breaks particle-hole symmetry. Additionally, due to sublattices of unequal size in Lieb lattices, this induces a finite chemical potential that drives the system away from half-filling. We argue that this mechanism potentially extends the range of solvable models with finite doping by coupling the Lieb lattice to the target system of interest. Third, we construct a system with four layers of a topological insulators and interlayer correlation that respects one independent time-reversal and a unitary $\mathbb{Z}_2$ symmetry. Previous studies claim a reduced topological classification from $\mathbb{Z}$ to $\mathbb{Z}_4$, for example by gapping out degenerate zero modes in topological defects once the correlation term is designed properly. Our interaction is chosen according to this analysis such that there should exist an adiabatic deformation between states whose topological invariant differs by $\Delta w=\pm4$ in the free fermion classification. We use a projective quantum Monte Carlo algorithm to determine the ground-state phase diagram and find a symmetry breaking regime, in addition to the non-interacting semi-metal, that separates the free fermion insulators. Frustration reduces the size of the long-range ordered region until it is replaced by a first order phase transition. Within the investigated range of parameters, there is no adiabatic path deforming the formerly distinct free fermion states into each other. We conclude that the prescribed reduction rules, which often use the bulk-boundary correspondence, are necessary but not sufficient and require a more careful investigation. Fourth, we study conduction electron on a honeycomb lattice that form a Dirac semi-metal Kondo coupled to spin-1/2 degrees of freedom on a Kagome lattice. The local moments are described by a variant of the Balents-Fisher-Girvin model that has been shown to host a ferromagnetic phase and a $\mathbb{Z}_2$ spin liquid at strong frustration. Here, we report the first numerical exact quantum Monte Carlo simulation of the Kondo-coupled system that does not exhibit the negative-sign problem. When the local moments form a ferromagnet, the Kondo coupling induces an anti-ferromagnetic mass term in the conduction-electron system. At large frustration, the Dirac cone remains massless and the spin system forms a $\mathbb{Z}_2$ spin liquid. Owing to the odd number of spins per unit cell, this constitutes a non-Fermi liquid that violates Luttinger's theorem which relates the Fermi volume to the particle density in a Fermi liquid. This phase is a specific realization of the so called 'fractional Fermi liquid` as it has been first introduced in the context of heavy fermion models. / Durch Hinzufügen von Wechselwirkungen zu topologisch (nicht-)trivialen, freien Fermion-systemen können im Allgemeinen vier verschiedene Effekte entstehen: (i) Im Fall von symmetriegeschützen topologischen Bandisolatoren können Korrelationen durch langreichweitige Ordnung einige der schützenden Symmetrien spontan brechen, sodass die topologischen Randzustände eine Bandlücken aufweisen. (ii) In (Halb-)metallen mit freien Elektronen können Wechselwirkungen im Gegenzug langreichweitige Ordnung erzeugen, welche wiederum einen topologischen Massenterm induzieren und so eine nicht-triviale Phase dynamisch erzeugen. (iii) Korrelationen können außerdem zur Reduktion der topologischen Klassifikation freier Fermionsystemen führen, indem sie adiabatische Manipulationen zwischen zuvor verschiedenen Zuständen ermöglichen. (iv) Wechselwirkungen können langreichweitig verschränkte topologische Ordnung in Zuständen wie Quanten-Spin-Flüssigkeiten oder fraktionellen Quanten-Hall-Zuständen erzeugen, die nicht durch wechselwirkungsfreie Systeme dargestellt werden können. Im Laufe dieser Dissertation benutzen wir numerisch-exakte Quanten-Monte-Carlo Algorithmen um verschiedene Modelsysteme zu untersuchen, die (potentiell) eines der vier Szenarien darstellen. Als Erstes untersuchen wir zwei-dimensionale, $d_{xy}$-Wellen, spin-singlet Supraleiter, die relevant für Hochtemperatur-Supraleiter wie den Cupraten sind. Dieses Model repräsentiert lückenlose Supraleiter und weist chirale dispersionslose Randzustände auf, die durch Zeitumkehr- und Translationssymmetrie geschützt sind. Wir führen die übliche Hubbard-Wechselwirkung entlang des Randes ein um die Stabilität in Bezug auf Korrelationen zu untersuchen und beobachten ferromagnetische Ordnung im Fall von repulsiven Wechselwirkungen sowie Ladungsdichtewellen und/oder zusätzliche $i$s-Wellen-Paarung bei attraktiven Kopplungen. Eine Molekularfeldanalyse, die zum ersten Mal bezüglich der Majorana Randzuständen formuliert wird, deutet an, dass jede Ordnung normale und supraleitende Beiträge enthält. Diese Erkenntnis wird durch die numerisch-exakte Quanten-Monte-Carlo Untersuchung gut bestätigt. Als Zweites betrachten wir spinlose Elektronen auf einem zwei-dimensionalen Lieb-Gitter die der nächsten-Nachbar Coulombwechselwirkung ausgesetzt sind. Die Niedrigenergiemoden des freien Teilsystems bilden Spin-$1$ Dirac-Fermionen mit verschiedenen möglichen Massentermen. Bei einem davon wird die Zeitumkehrsymmetrie gebrochen und ein topologischer Chern-Isolator erzeugt, was die Hauptmotivation dieser Untersuchen darstellt. Wir verwenden zwei verschiedene Arten der Quanten-Monte-Carlo Methoden und finden stattdessen die Bildung von Ladungsdichtewellenordnung, welche die Teilchen-Loch-Symmetrie bricht. Zusätzlich führt dies, durch die verschieden großen Untergitter die Lieb-Gitters, zu einem endlichen chemischen Potential und treibt das System weg von Halbfüllung. Wir argumentieren, dass dieser Mechanismus möglicherweise die Breite von lösbaren Modellen mit endlicher Dotierung erweitert, indem das Lieb-Gitter an das Zielmodel von Interesse angekoppelt wird. Als Drittes konstruieren wir ein System, bestehend aus vier Schichten eines topologischen Isolators, mit Wechselwirkungen zwischen den Schichten, das eine unabhängige Zeitumkehr- und eine unitäre $\mathbb{Z}_2$ Symmetrie respektiert. Vorangegangene Untersuchungen legen nahe eine von $\mathbb{Z}$ auf $\mathbb{Z}_4$ reduzierte topologische Klassifikation, zum Beispiel durch das Aufspalten entarteter Nullmoden in topologischen Defekten, sofern die Korrelationen entsprechend entworfen wurden. Unsere Wechselwirkungen sind den Regeln dieser Analysis folgend gewählt, sodass ein adiabatischer Pfad zwischen Zuständen, deren topologische Quantenzahl sich um $\Delta q=\pm4$ unterscheiden, existieren sollte. Wir benutzen einen projektiven Quanten-Monte-Carlo Algorithmus um das Phasendiagramm des Grundzustandes zu bestimmen und erhalten, zusätzlich zum nicht-wechselwirkenden Halbleiter, einen symmetriegebrochenen Bereich der die nicht-wechselwirkenden Isolatoren voneinander trennt. Frustration reduziert die Größe dieser Region mit langreichweitiger Ordnung bis sie durch einen Phasenübergang erster Ordnung ersetzt wird. Im betrachteten Parameterbereich gibt es keinen adiabatischen Pfad, der zuvor verschiedene nicht-wechselwirkende Zustände ineinander überführt. Wir schließen daraus, dass die beschriebenen Regel zur Reduktion, die oft die Korrespondenz zwischen dem Probeninneren und dem Rand verwenden, notwendig aber nicht hinreichend sind und dass es hierzu weiterer Studien bedarf. Als Viertes betrachten wir Leitungselektronen auf einem Honigwabengitter, die einen Dirac Halbleiter verkörpern, und Kondo-gekoppeln diese mit Spin-$1/2$ Freiheitsgraden auf einem Kagomegitter. Die lokalen Momente werden durch eine Variante des Balents-Fisher-Girvin Models beschrieben, welches nachweislich eine ferromagnetische Phase und eine $\mathbb{Z}_2$ Spinflüssigkeit bei starker Frustration beherbergt. Wir berichten hier über die erste numerisch-exakte Quanten-Monte-Carlo Simulation des Kondo-gekoppelten Systems, die kein negatives Vorzeichenproblem aufweist. Wenn die lokalen Momente einen Ferromagneten bilden, überträgt dies einen antiferromagnetischen Massenterm auf das System der Leitungselektronen. Bei starker Frustration bleiben die Dirac-Fermionen masselos und das Spinsystem bildet eine $\mathbb{Z}_2$ Spinflüssigkeit. Aufgrund der ungeraden Anzahl von Spin-Freiheitsgraden pro Einheitszelle stellt dies keine Fermiflüssigkeit dar und verletzt das Theorem von Luttinger, dass das Fermivolumen mit der Teilchendichte der Fermiflüssigkeit verbindet. Diese Phase ist eine spezielle Realisation der sogenannten `fraktionellen Fermiflüssigkeit' die zuerst im Zusammenhang mit Schwerfermion-Systeme eingeführt worden ist.

Anregungsinduzierte Ladungstransferprozesse gemischtvalenter Verbindungen in einem, bzw. zwei Vibrationsfreiheitsgraden werden mithilfe vibronischer Modellsysteme untersucht. Anhand transienter und linearer Absorptionsspektren werden die berechneten mit experimentell bestimmten Daten verglichen. Eine detailliertere theoretische Analyse erfolgt unter den Gesichtspunkten der Populations- und Wellenpaketdynamik. Darüber hinaus wird der Prozess der Exziton-Exziton-Annihilierung mithilfe eines elektronischen Modellsystems untersucht. Zu diesem Zweck werden, zusätzlich zu den oben genannten Methoden, spektroskopische Signale unterschiedlicher Emissionsrichtungen zum Vergleich herangezogen. / Optically induced charge transfer processes of mixed-valence compounds in one or two vibrational degrees of freedom respectively are studied using vibronic model systems. Calculated and experimentally determined data are compared based on transient as well as linear absorptions spectra. By means of population and wave-packet dynamics a more detailed theoretical analysis is performed. Furthermore, the process of exciton-exciton annihilation is studied using an electronic model system. Therefore, in addition to the methods mentioned above, spectroscopic signals in different directions of emission are compared.

In the last decade continuous-time quantum Monte Carlo in the hybridization expansion (CTHYB) was one of the most successful Monte Carlo techniques to describe correlated quantum phenomena in conjunction with dynamical mean field theory (DMFT). The first part of the thesis consists of algorithmical developments regarding CTHYB and DMFT. I provide a complete derivation and an extensive discussion of the expansion formula. We generalized it to treat spin-orbit coupling, and invented the superstate sampling algorithm to make it efficient enough for describing systems with general interactions, crystal fields and spin-orbit coupling at low temperatures. But CTHYB is known to fail in the standard implementation for equal-time correlators, certain higher-order Green’s functions and the atomic limit; we discovered that its estimator for the Greens function is also inconsistent for Anderson impurities with finite, discrete baths. I focus then on further improvements of CTHYB that we have conceived and worked on, in particular for f-orbitals and for taking physical symmetries into account in the calculation of the Monte Carlo observables. The second part of the thesis presents selected physical applications of these methods. I show DMFT calculations of highest accuracy for elemental iron and nickel and discover a new mechanism of magnetic ordering in nickel: the ordering of band structure-induced local moments. Then we analyze the stability of this phenomenon under pressure and temperatures, that characterize in the Earth’s core. We find, that the mechanism survives these conditions and may give a significant contribution to the generation of the Earth’s magnetic field. The next topic is the stability of double Dirac fermions against electronic correlations. We find, that the Coulomb interaction in the corresponding material Bi2 CuO4 are strong enough to destroy the double Dirac cone, and substantial uniform pressure is necessary to restore them. In the last chapter I derive the properties of Higgs and Goldstone bosons from Ginzburg-Landau theory, and identify these excitations in a model of an excitonic magnet. / Im letzten Jahrzehnt war die zeitkontinuierliche Hybridisierungsentwicklung (CTHYB) eine der erfolgreichsten Quanten Monte Carlo Methoden zur Behandlung stark korre- lierter Elektronensysteme im Zusammenspiel mit der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT). Im ersten Teil der Dissertation geht es um Algorithmenentwicklung bezüglich CTHYB und DMFT. Ich leite die CTHYB-Entwicklungsformel vollständig her und diskutiere ausführlich ihre Eigenschaften. Wir haben sie im Rahmen der Thesis für die Behandlung von Spin-Bahn gekoppelten Systemen verallgemeinert, und den Superstate- Sampling Algorithmus entwickelt, der unsere Implementation effizient genug macht, dass man Rechnungen mit allgemeinen Wechselwirkungen, Kristallfeldern und Spin-Bahn Kopplung bei tiefen Temperaturen effizient durchführen kann. Es ist bekannt, dass CTHYB in der Standard-Implementation für Gleichzeit-Korrela- tionsfunktionen, bestimme Greenfunktionen höherer Ordnung und den atomaren Limes nicht funktioniert; wir haben entdeckt, dass der Standard-Estimator für die Greensche Funktion auch inkonsistent ist für Anderson-Störstellen mit endlich großem, diskretem Bad. Dann betrachte ich auch andere Verbesserungen von CTHYB, die wir uns aus- gedacht haben, insbesondere für die Behandlung von Systemen mit f -Orbitalen, und wie man physikalische Symmetrien bei der Berechnung von Observablen bei CTHYB mit einbeziehen kann. Im zweiten Teil der Arbeit präsentiere ich ausgewählte physikalische Anwendungen dieser Methoden. Ich zeige DMFT-Rechnungen mit größtmöglicher Präzision für die el- ementaren Metalle Eisen und Nickel, wobei wir einen neuartigen Mechanismus entdeckt haben, der in Nickel die magnetische Ordnung erzeugt: es ordnen sich lokale magnetische Momente, die von der Bandstruktur erzeugt worden sind. Dann untersuchen wir die Sta- bilität des Phänomens unter hohem Druck und hoher Temperatur, wie sie typischerweise im Erdkern herrschen. Wir finden, dass der Mechanismus diese Bedingungen übersteht und es denkbar ist, dass er einen signifikanten Beitrag zur Erzeugung des Magnetfelds der Erde liefert. Das nächste Beispiel ist, wie sich elektronische Korrelationseffekte auf doppel-Dirac Fermionen auswirken. Wir finden, dass die elektronische Wechselwirkung die doppel-Dirac Cones in Bi2CuO4 zerstört, und nur enormer hydrostatischer Druck sie wiederherstellen kann. Im letzten Kapitel leite ich die Eigenschaften von Higgs- und Goldstone-Bosonen mithilfe der Ginzburg-Landau Theorie her, und identifiziere dann diese Anregungen im Modell eines exzitonischen Magneten.