Accurate electronic structure calculations are becoming more and more important because of the increasing need for information about systems which are hard to perform experiments on. Databases compiled from theoretical results are also being used more than ever for applications, and the reliability of the theoretical methods are of utmost importance. In this thesis, the present limits on theoretical alloy calculations are investigated and improvements on the methods are presented. A short introduction to electronic structure theory is included as well as a chapter on Density Functional Theory, which is the underlying method behind all calculations presented in the accompanying papers. Multiple Scattering Theory is also discussed, both in more general terms as well as how it is used in the methods employed to solve the electronic structure problem. One of the methods, the Exact Muffin-Tin Orbital method, is described extensively, with special emphasis on the slope matrix, which energy dependence is investigated together with possible ways to parameterize this dependence. Furthermore, a chapter which discusses different ways to perform calculations for disordered systems is presented, including a description of the Coherent Potential Approximation and the Screened Generalized Perturbation Method. A comparison between the Exact Muffin-Tin Orbital method and the Projector Augmented-Wave method in the case of systems exhibiting both compositional and magnetic disordered is included as well as a case study of the MoRu alloy, where the theoretical and experimental discrepancies are discussed. The thesis is concluded with a short discussion on magnetism, with emphasis on its computational aspects. I further discuss a generalized Heisenberg model and its applications, especially to fcc Fe, and also present an investigation of the competing magnetic structures of FeNi alloys at different concentrations, where both collinear and non-collinear magnetic structures are included. For Invar-concentrations, a spin-flip transition is found and discussed. Lastly, I discuss so-called quantum corrals and possible ways of calculating properties, especially non-collinear magnetism, of such systems within perturbation theory using the force theorem and the Lloyd’s formula.

This thesis describes an accurate and scalable computational method designed to perform nanoelectronic structure calculations. Built around the FEAST framework, this method directly addresses the nonlinear eigenvalue problem. The new approach allows us to bypass traditional approximation techniques typically used for first-principle calculations. As a result, this method is able to take advantage of standard muffin-tin type domain decomposition techniques without being hindered by their perceived limitations. In addition to increased accuracy, this method also has the potential to take advantage of parallel processing for increased scalability. The Introduction presents the motivation behind the proposed method and gives an overview of what will be presented for this thesis. Chapter 1 explains how electronic structure calculations are currently performed, including an overview of Density Functional Theory and the advantages and disadvantages of various numerical techniques. Chapter 2 describes, in detail, the method proposed for this thesis, including mathematical justification, a matrix-level example, and a description of implementing the FEAST algorithm. Chapter 3 presents and discusses results from numerical experiments for Hydrogen and various Hydrogen molecules, Methane, Ethane, and Benzene. Chapter 4 concludes with a summary of the presented work and its impact in the field.

<p>A screened GPM approach in an EMTO-CPA framework was investigated in order to study its ability of describing transition temperatures in phase separating systems, i. e. systems giving either a random or a cluster structure depending on the temperature and the relative concentration of the ingoing atoms of the binary alloy used for the study. A motivation for the study is that the method works well for ordering systems, i. e. systems giving either a random or ordered structure dependent on the temperature and the relative concentration of the components in the binary alloy. Thereby is it of interest to find out the methods capacity in phase separating systems. The so called GPM potentials derived in the approach were applied in statistical Monte Carlo simulations for this purpose. The systems chosen for the investigation were the RhPd and the AlZn binary alloy systems. For both systems the method showed acceptable accuracy when properties as lattice parameter and mixing enthalpy were calculated. The quality of the derived GPM potentials has also been checked by calculating ordering energy for different ordered structures; directly from first principles calculations and from the GPM approach. The results were in acceptable agreement and thereby indicating that the GPM potentials were reliable. The transition temperatures in the RhPd phase diagram, derived by the statistical Monte Carlo simulations showed anyway deviation from experimental results. The error in the predictions might be due to the existing concentration dependencies in the GPM potentials.The conclusion from this study is that the Monte Carlo scheme might be inconvenient in order to handle the concentration dependencies seen in the GPM potentials.</p>

A screened GPM approach in an EMTO-CPA framework was investigated in order to study its ability of describing transition temperatures in phase separating systems, i. e. systems giving either a random or a cluster structure depending on the temperature and the relative concentration of the ingoing atoms of the binary alloy used for the study. A motivation for the study is that the method works well for ordering systems, i. e. systems giving either a random or ordered structure dependent on the temperature and the relative concentration of the components in the binary alloy. Thereby is it of interest to find out the methods capacity in phase separating systems. The so called GPM potentials derived in the approach were applied in statistical Monte Carlo simulations for this purpose. The systems chosen for the investigation were the RhPd and the AlZn binary alloy systems. For both systems the method showed acceptable accuracy when properties as lattice parameter and mixing enthalpy were calculated. The quality of the derived GPM potentials has also been checked by calculating ordering energy for different ordered structures; directly from first principles calculations and from the GPM approach. The results were in acceptable agreement and thereby indicating that the GPM potentials were reliable. The transition temperatures in the RhPd phase diagram, derived by the statistical Monte Carlo simulations showed anyway deviation from experimental results. The error in the predictions might be due to the existing concentration dependencies in the GPM potentials.The conclusion from this study is that the Monte Carlo scheme might be inconvenient in order to handle the concentration dependencies seen in the GPM potentials.

Aus der Berechnung der elektronischen Leitf¨ahigkeit nach ersten Prinzipien wird die Forderung nach Strukturmodellen mit geringerer Zustandsdichte an der Fermikante (Pseudogap) abgeleitet und in einer entsprechenden Molekulardynamik auf der Grundlage des Streukonzepts realisiert. Bei der Auswertung der Kubo-Greenwood Formel f¨ur fl¨ussige und amorphe ¨Ubergangsmetalle im Rahmen einer Superzellenmethode wird eine methodisch bedingte D¨ampfung eingef¨uhrt. Ein Superpositionskonzept f¨ur die methodischen und intrinsischen Widerstandsbeitr¨age erm¨oglicht eine Separation der intrinsischen Eigenschaften. Die Linear Muffin-Tin Orbital Methode wird zum Vergleich herangezogen. Es werden die Restwiderst¨ande der fl¨ussigen 3d-¨Ubergangsmetalle berechnet. Abweichungen vom Experiment deuten auf eine nicht richtig ber¨ucksichtigte strukturelle Ordnung und auf Spineffekte hin. Das Modell einer ungeordneten Spinausrichtung in fl¨ussigem Mangan und Eisen zeigt eine Korrektur in die Richtung des Experiments. Zur Ber¨ucksichtigung von Mehrk¨orperkr¨aften in ungeordneten Systemen wird ein Greensfunktionskonzept vorgestellt. Die Grundlage bildet eine Zerlegung der Bandenergie in der komplexen Energieebene in einen kurzreichweitigen Anteil und einem mittel- und langreichweitigen Gapenergiebeitrag. Die Gapenergie ist ein Integral ¨uber das Produkt zwischen Breite und Tiefe aller m¨oglichen Gaps im System. Die Minimierung der Gapenergie ist Verbunden mit der Ausbildung eines Minimums in der elektronischen Zustandsdichte bei der Fermikante. Die ¨Anderungen der Gapenergie bei Struktur¨anderung k¨onnen sehr effektiv ¨uber eine Streupfadoperatordarstellung f¨ur ausgew¨ahlte optimierte komplexe Energiepunkte berechnet werden. Der Realteil der Energiepunkte ist dabei die Fermienergie, der Imagin¨arteil korreliert mit der Breite eines effektiven, mittleren Pseudogaps im System. Bei einer zus¨atzlichen Ber¨ucksichtigung kurzreichweitiger repulsiver Terme wird eine Molekulardynamik m¨oglich. Es kann dabei der ¨Ubergang einer fl¨ussigen metallischen Phase zu einer festen, amorphen Phase mit ausgepr¨agtem Pseudogap simuliert werden.

Die Spektrale Leitfaehigkeit ikosaedrischer Approximanten zeigt Feinstrukturen (100 meV) die das besondere elektronische Transportverhalten der Quasikristalle und Approximanten erklaeren koennen. Der Ursprung diese spektralen Feinstrukturen liegt im Zusammenwirken der typischen mehrkomponentigen Atomcluster des Systems. Das Konzept stellt Struktur und chemische Dekoration auf der Laengenskala der Cluster ueber ausgedehnte Quasiperiodizitaet. Ab-initio Methode mit und ohne periodische Randbedingungen werden hier angewendet, um das Zusammenwirken der Cluster fuer niedere Approximanten ikosaedrischer Quasikristalle zu untersuchen. Deshalb werden die Linearen Muffin-Tin Orbitale in einem Superzellenkonzept, die Tight-Binding Linearen Muffin-Tin Orbitale in einem Cluster-Rekursionsverfahren und die Landauer/Buettiker-Methode in dieser Arbeit eingesetzt. Auf der Grundlage der ab-initio Ergebnisse werden spektrale Modelle (Lorentz-Funktionen) fuer den spektralen spezifischen Widerstand gebildet. Der Uebergang zum Quasikristall erfolgt durch Skalierung der Modellparameter auf der Grundlage der gemessenen Thermokraft. Die optische Leitfaehigkeit und die Temperaturverlaeufe des Widerstandes, der Thermokraft, des Hall-Koeffizienten und der elektronischen Waermeleitfaehigkeit einiger ikosaedrischer Systeme werden so durch je zwei Lorentz-Funktionen beschrieben. Wir zeigen, dass die Transportanomalien zusammen mit den spektralen Feinstrukturen empfindlich vom Subsystems des jeweils aktiven Uebergangsmetallsabhaengen (Orientierung und Dekoration der ikosaedrischen Cluster).

Aus der Berechnung der elektronischen Leitf¨ahigkeit nach ersten Prinzipien wird die Forderung nach Strukturmodellen mit geringerer Zustandsdichte an der Fermikante (Pseudogap) abgeleitet und in einer entsprechenden Molekulardynamik auf der Grundlage des Streukonzepts realisiert. Bei der Auswertung der Kubo-Greenwood Formel f¨ur fl¨ussige und amorphe ¨Ubergangsmetalle im Rahmen einer Superzellenmethode wird eine methodisch bedingte D¨ampfung eingef¨uhrt. Ein Superpositionskonzept f¨ur die methodischen und intrinsischen Widerstandsbeitr¨age erm¨oglicht eine Separation der intrinsischen Eigenschaften. Die Linear Muffin-Tin Orbital Methode wird zum Vergleich herangezogen. Es werden die Restwiderst¨ande der fl¨ussigen 3d-¨Ubergangsmetalle berechnet. Abweichungen vom Experiment deuten auf eine nicht richtig ber¨ucksichtigte strukturelle Ordnung und auf Spineffekte hin. Das Modell einer ungeordneten Spinausrichtung in fl¨ussigem Mangan und Eisen zeigt eine Korrektur in die Richtung des Experiments. Zur Ber¨ucksichtigung von Mehrk¨orperkr¨aften in ungeordneten Systemen wird ein Greensfunktionskonzept vorgestellt. Die Grundlage bildet eine Zerlegung der Bandenergie in der komplexen Energieebene in einen kurzreichweitigen Anteil und einem mittel- und langreichweitigen Gapenergiebeitrag. Die Gapenergie ist ein Integral ¨uber das Produkt zwischen Breite und Tiefe aller m¨oglichen Gaps im System. Die Minimierung der Gapenergie ist Verbunden mit der Ausbildung eines Minimums in der elektronischen Zustandsdichte bei der Fermikante. Die ¨Anderungen der Gapenergie bei Struktur¨anderung k¨onnen sehr effektiv ¨uber eine Streupfadoperatordarstellung f¨ur ausgew¨ahlte optimierte komplexe Energiepunkte berechnet werden. Der Realteil der Energiepunkte ist dabei die Fermienergie, der Imagin¨arteil korreliert mit der Breite eines effektiven, mittleren Pseudogaps im System. Bei einer zus¨atzlichen Ber¨ucksichtigung kurzreichweitiger repulsiver Terme wird eine Molekulardynamik m¨oglich. Es kann dabei der ¨Ubergang einer fl¨ussigen metallischen Phase zu einer festen, amorphen Phase mit ausgepr¨agtem Pseudogap simuliert werden.

Die Spektrale Leitfaehigkeit ikosaedrischer Approximanten zeigt Feinstrukturen (100 meV) die das besondere elektronische Transportverhalten der Quasikristalle und Approximanten erklaeren koennen. Der Ursprung diese spektralen Feinstrukturen liegt im Zusammenwirken der typischen mehrkomponentigen Atomcluster des Systems. Das Konzept stellt Struktur und chemische Dekoration auf der Laengenskala der Cluster ueber ausgedehnte Quasiperiodizitaet. Ab-initio Methode mit und ohne periodische Randbedingungen werden hier angewendet, um das Zusammenwirken der Cluster fuer niedere Approximanten ikosaedrischer Quasikristalle zu untersuchen. Deshalb werden die Linearen Muffin-Tin Orbitale in einem Superzellenkonzept, die Tight-Binding Linearen Muffin-Tin Orbitale in einem Cluster-Rekursionsverfahren und die Landauer/Buettiker-Methode in dieser Arbeit eingesetzt. Auf der Grundlage der ab-initio Ergebnisse werden spektrale Modelle (Lorentz-Funktionen) fuer den spektralen spezifischen Widerstand gebildet. Der Uebergang zum Quasikristall erfolgt durch Skalierung der Modellparameter auf der Grundlage der gemessenen Thermokraft. Die optische Leitfaehigkeit und die Temperaturverlaeufe des Widerstandes, der Thermokraft, des Hall-Koeffizienten und der elektronischen Waermeleitfaehigkeit einiger ikosaedrischer Systeme werden so durch je zwei Lorentz-Funktionen beschrieben. Wir zeigen, dass die Transportanomalien zusammen mit den spektralen Feinstrukturen empfindlich vom Subsystems des jeweils aktiven Uebergangsmetallsabhaengen (Orientierung und Dekoration der ikosaedrischen Cluster).

We describe the rare-earth elements using the Hubbard I approximation. We show that the theory reproduces the cohesive properties, like the volume and bulk modulus, and we find an excellent agreement between theory and experiment for the (inverse) photo emission spectra of the valence band. In addition we reproduce the spin and orbital moments of these elements. This licentiate thesis contains an introduction to the cohesive, magnetic and spectral properties of the rare-earth elements, to density functional theory and to density functional theory in combination with dynamical mean-field theory within the Hubbard I approximation. We also focus on some technical details, e.g. the optimal basis used in the electronic structure code and the role of charge self-consistency in properly describing the valence electrons.

In this work we study the interesting physics of the rare earths, and the microscopic state after ultrafast magnetization dynamics in iron. Moreover, this work covers the development, examination and application of several methods used in solid state physics. The first and the last part are related to strongly correlated electrons. The second part is related to the field of ultrafast magnetization dynamics. In the first part we apply density functional theory plus dynamical mean field theory within the Hubbard I approximation to describe the interesting physics of the rare-earth metals. These elements are characterized by the localized nature of the 4f electrons and the itinerant character of the other valence electrons. We calculate a wide range of properties of the rare-earth metals and find a good correspondence with experimental data. We argue that this theory can be the basis of future investigations addressing rare-earth based materials in general. In the second part of this thesis we develop a model, based on statistical arguments, to predict the microscopic state after ultrafast magnetization dynamics in iron. We predict that the microscopic state after ultrafast demagnetization is qualitatively different from the state after ultrafast increase of magnetization. This prediction is supported by previously published spectra obtained in magneto-optical experiments. Our model makes it possible to compare the measured data to results that are calculated from microscopic properties. We also investigate the relation between the magnetic asymmetry and the magnetization. In the last part of this work we examine several methods of analytic continuation that are used in many-body physics to obtain physical quantities on real energies from either imaginary time or Matsubara frequency data. In particular, we improve the Padé approximant method of analytic continuation. We compare the reliability and performance of this and other methods for both one and two-particle Green's functions. We also investigate the advantages of implementing a method of analytic continuation based on stochastic sampling on a graphics processing unit (GPU).