In this thesis, we investigate several topics pertaining to emergent collective quantum phenomena in the domain of correlated fermions, using the quantum Monte Carlo method. They display exotic low temperature phases as well as phase transitions which are beyond the Landau–Ginzburg theory. The interplay between three key points is crucial for us: fermion statistics, many body effects and topology. We highlight the following several achievements: 1. Successful modeling of continuum field theories with lattice Hamiltonians, 2. their sign-problem-free Monte Carlo simulations of these models, 3. and numerical results beyond mean field descriptions. First, we consider a model of Dirac fermions with a spin rotational invariant inter- action term that dynamically generates a quantum spin Hall insulator. Surprisingly, an s-wave superconducting phase emerges due to the condensation of topological de- fects of the spin Hall order parameter. When particle-hole symmetry is present, the phase transition between the topological insulator and the superconducting phase is an example of a deconfined quantum critical point(DQCP). Although its low energy effec- tive field theory is purely bosonic, the exact conservation law of the skyrmion number operator rules out the possibility of realizing this critical point in lattice boson models. This work is published in Ref. [1]. Second, we dope the dynamically generated quantum spin Hall insulator mentioned above. Hence it is described by a field theory without Lorentz invariance due to the lack of particle-hole symmetry. This sheds light on the extremely hot topic of twisted bilayergraphene: Why is superconductivity generated when the repulsive Coulomb interaction is much stronger than the electron-phonon coupling energy scale? In our case, Cooper pairs come from the topological skyrmion defects of the spin current order parameter, which are charged. Remarkably, the nature of the phase transition is highly non-mean-field-like: one is not allowed to simply view pairs of electrons as single bosons in a superfluid-Mott insulator transition, since the spin-current order parameter can not be ignored. Again, due to the aforementioned skyrmions, the two order parameters are intertwined: One phase transition occurs between the two symmetry breaking states. This work is summarized in Ref. [2]. Third, we investigate the 2 + 1 dimensional O(5) nonlinear sigma model with a topological Wess-Zumino-Witten term. Remarkably, we are able to perform Monte Carlo calculations with a UV cutoff given by the Dirac Landau level quantization. It is a successful example of simulating a continuous field theory without lattice regularization which leads to an additional symmetry breaking. The Dirac background and the five anti-commuting Dirac mass terms naturally introduce the picture of a non-trivial Berry phase contribution in the parameter space of the five component order parameter. Using the finite size scaling method given by the flux quantization, we find a stable critical phase in the low stiffness region of the sigma model. This is a candidate ground state of DQCP when the O(5) symmetry breaking terms are irrelevant at the critical point. Again, it has a bosonic low energy field theory which is seemingly unable to be realized in pure boson Hamiltonians. This work is summarized in Ref. [3]. / In dieser Arbeit untersuchen wir verschiedene Themen über emergente kollektive Quan- tenphänomene im Bereich der korrelierten Fermionen unter Verwendung der Quanten- Monte-Carlo-Methode. Sie zeigen sowohl exotische Tieftemperaturphasen als auch Phasenübergänge, die jenseits der Landau-Ginzburg-Theorie liegen. Das Zusammen- spiel von drei Schlüsselpunkten ist für uns entscheidend: Fermionenstatistik, Vielteilch- eneffekte und Topologie. Es sind bemerkenswerte Erfolge erzielt worden: 1. Erfolgre- iche Modellierung mehrerer kontinuierlicher Feldtheorien über Gitter-Hamiltonians. 2. Vorzeichenproblem-freie Monte-Carlo-Simulation von ihnen. 3. Numerische Ergebnisse jenseits des Molekularfeld-Verständnisses. Zunächst betrachten wir ein Modell von Dirac-Fermionen mit einem spinrotations- invarianten Wechselwirkungsterm, der dynamisch einen Quanten-Spin-Hall-Zustand erzeugt. Überraschenderweise entsteht eine s-Wellen-supraleitende Phase durch die Kondensation von topologischen Defekten des Spin-Hall-Ordnungsparameters. Wenn Teilchen-Loch-Symmetrie vorhanden ist, ist dieser Phasenübergang zwischen topologis- chem Isolator und Supraleiter ein Beispiel für einen dekondefinierten quantenkritischen Punkt (DQCP). Obwohl seine niedrigenergetische effektive Feldtheorie rein bosonisch ist, schließt der exakte Erhaltungssatz des Skyrmionenzahloperators die Möglichkeit aus, diesen kritischen Punkt in Gitter-Boson-Modellen zu realisieren. Diese Arbeit ist veröffentlicht in Ref. [1]. Zweitens dotieren wir den dynamisch erzeugten Quanten-Spin-Hall-Isolator von oben. Er wird aufgrund der fehlenden Teilchen-Loch-Symmetrie durch eine Feldtheorie ohne Lorenzt-Invarianz beschrieben. Dies wirft ein Licht auf das extrem heiße Thema des verdrehten Doppelschichtgraphens: Warum wird Supraleitung erzeugt, wenn die ab- stoßende Coulombwechselwirkung viel stärker ist als die Elektron-Phonon Kopplungsen- ergie? In unserem Fall kommen Kupferpaare aus den topologischen Skyrmiondefekten der Parameter der Spinstromordnung, die geladen sind. Bemerkenswerterweise ist die Art des Phasenübergangs in hohem Maße nicht molekularfeldartig: Es ist nicht erlaubt, ein Elektronenpaar einfach als einzelnes Boson in einem Superfluid-Mott- Isolator-Übergang zu betrachten, da der Parameter der Spin-Strom-Ordnung nicht ignoriert werden kann. Wiederum aufgrund der oben erwähnten Skyrimionen, sind zwei Ordnungsparameter miteinander verbunden: ein Phasenübergang findet zwischen den beiden Zuständen mit gebrochener Symmetrie statt. Diese Arbeit ist in Ref. [2]. Drittens untersuchten wir das 2 + 1-dimensionale nichtlineare O(5)-Sigma-Modell mit einem topologischen Wess-Zumino-Witten-Term. Bemerkenswerterweise sind wir in der Lage, Monte-Carlo-Berechnungen durchzuführen, mit UV-Cutoff gegeben durch die Quantifizierung der Dirac-Landau-Ebenen. Es ist ein erfolgreiches Beispiel für die Simulation einer kontinuierlichen Feldtheorie ohne Gitterregularisierung, die zu zusätzlichen Symmetriebrechungen führt. Der Dirac-Hintergrund und die 5 antikom- mutiernenden Dirac-Massenterme führen natürlich das Bild eines nicht-trivialen Berryphasen Beitrags im Parameterraum des Ordnungsparameters mit fünf Komponenten ein. Unter Verwendung der Methode der endlichen Größenskalierung, die durch Flussquantisierung gegeben ist, fanden wir eine stabile kritische Phase im Bereich der niedrigen Steifigkeit des Sigma-Modells. Dies ist ein Kandidat für den Grundzustand des DQCP, wenn die O(5)-Symmetrie brechenden Terme am kritischen Punkt irrelevant sind. Auch hier handelt es sich um eine niedrigenergetische bosonische Feldtheorie, die scheinbar durch reine Boson-Hamiltonians nicht realisiert werden kann. Diese Arbeit ist in Ref. [3].

The vacuum of quantum field theory is not empty space but filled with quantum vacuum fluctuations, which give rise to many intriguing effects. The first part of this Thesis addresses cosmic inflation, where the quantum fluctuations of the inflaton field freeze and get amplified in the expanding universe. Afterwards, we turn our attention towards Bose-Einstein condensates, a laboratory system. Since most of our calculations are performed using a mean-field expansion, we will study the accuracy of a finite-range interaction potential onto such an expansion. Exploiting the universality of quantum fluctuations, several aspects of cosmic inflation will be identified in ballistically expanding Bose-Einstein condensates. The effective action technique for calculating the quantum backreaction will be scrutinized. Finally, we consider dynamic quantum phase transitions in the last part of this Thesis. To this end two specific scenarios will be investigated: firstly, the structure formation during the superfluid to Mott-insulator transition in the Bose-Hubbard model; and secondly, the formation of spin domains as a two-dimensional spin-one Bose gas is quenched from the (polar) paramagnetic to the (planar) ferromagnetic phase. During this quench, the symmetry of the ground state is spontaneously broken and vortices (topological defects) form.

The vacuum of quantum field theory is not empty space but filled with quantum vacuum fluctuations, which give rise to many intriguing effects. The first part of this Thesis addresses cosmic inflation, where the quantum fluctuations of the inflaton field freeze and get amplified in the expanding universe. Afterwards, we turn our attention towards Bose-Einstein condensates, a laboratory system. Since most of our calculations are performed using a mean-field expansion, we will study the accuracy of a finite-range interaction potential onto such an expansion. Exploiting the universality of quantum fluctuations, several aspects of cosmic inflation will be identified in ballistically expanding Bose-Einstein condensates. The effective action technique for calculating the quantum backreaction will be scrutinized. Finally, we consider dynamic quantum phase transitions in the last part of this Thesis. To this end two specific scenarios will be investigated: firstly, the structure formation during the superfluid to Mott-insulator transition in the Bose-Hubbard model; and secondly, the formation of spin domains as a two-dimensional spin-one Bose gas is quenched from the (polar) paramagnetic to the (planar) ferromagnetic phase. During this quench, the symmetry of the ground state is spontaneously broken and vortices (topological defects) form.

Die Betrachtung von Schwere-Fermionen-Systemen stellt ein wichtiges Themengebiet im Bereich der Festkörperphysik dar. Das Verhalten von Schwere-Fermionen-Systemen wird durch die starken Korrelationen der magnetischen Momente der ungepaarten Spins der f-Elektronen bestimmt. Experimentell zugängliche Messgrößen sind dadurch bei tiefen Temperaturen stark erhöht, so dass sich diese Systeme besonders gut zur Untersuchung von Grundzustandseigenschaften eignen. Zentrales Thema dieser Arbeit ist die Untersuchung zweier intermetallischer Seltenerd-Verbindungen in Bezug auf Quantenphasenübergänge. Diese treten am absoluten Nullpunkt der Temperatur als Funktion eines anderen Parameters wie Magnetfeld, Druck oder chemischer Substitution auf und sind bei endlicher Temperatur durch Abweichungen physikalischer Messgrößen von der durch L. D. Landau aufgestellten Theorie der Fermi-Flüssigkeiten nachzuweisen. Zu diesem Zweck wurden Tieftemperaturexperimente bis hinab zu 20mK und in Magnetfeldern bis zu 18T durchgeführt. Es wurden elektrischer Widerstand, magnetische Wechselfeldsuszeptibilität, Magnetostriktion und thermische Ausdehnung gemessen. / The investigation of heavy-fermion systems marks an important subject in the research field of solid state physics. The behaviour of heavy-fermion systems is dominated by the strong correlations of the magnetic moments of the unpaired f-electron spins. At low temperatures, experimentally accessible variables are strongly enhanced so that these systems are especially suited to analyse ground state properties. The central topic of this thesis is the investigation of two intermetallic rare-earth compounds with regard to quantum phase transitions. The latter occur at zero temperature as a function of parameters such as magnetic field, pressure or chemical substitution. They are traceable at finite temperature due to deviations of physical variables from the theory of Fermi liquids established by L. D. Landau. For this purpose, low-temperature experiments were performed down to 20mK and in magnetic fields up to 18T. Electrical resistivity, magnetic ac susceptibility, magnetostriction and thermal expansion were measured.

Topologically ordered phases flamboyance a cornucopia of intriguing phenomena that cannot be perceived in the conventional phases including the most striking property of hosting anyon quasiparticles having fractional charges and fractional statistics. Such phases were discovered with the remarkable experiment of the fractional quantum Hall effect and are drawing a lot of recognition. Realization of these phases on lattice systems and study of the anyon quasiparticles there are important and interesting avenue to research in unraveling new physics, which can not be found in the continuum, and this thesis is an important contribution in that direction. Also such lattice models hosting anyons are particularly important to control the movement of anyons while experimentally implemented with ultra-cold atoms in optical lattices. We construct lattice models by implementing analytical states and parent Hamiltonians on two-dimensional plane hosting non-Abelian anyons, which are proposed candidates for quantum computations. Such lattice models are suitable to create both quasiholes and quasielectrons in the similar way and thereby avoiding the singularity problem for the quasielectrons in continuum. Anyons in these models are found to be well-screened with proper charges and right statistics. Going beyond two dimensions, we unravel the intriguing physics of topologically ordered phases of matter in fractional dimensions such as in the fractal lattices by employing our model constructions of analytical states and parent Hamiltonians there. We find the anyons to be well-screened with right charges and statistics for all dimensions. Our work takes the first step in bridging the gap between two dimensions and one dimension in addressing topological phases which reveal new physics. Our constructions are particularly important in this context since such lattices lack translational symmetry and hence become unsuitable for the fractional Chern insulator implementations. The special features of topologically ordered phases make these difficult to probe and hence the detection of topological quantum phase transitions becomes challenging. The existing probes suffer from shortcomings uo-to a large extent and therefore construction of new type of probes become important and are on high demand. The robustness of anyon properties draw our attention to propose these as detector of topological quantum phase transitions with significant advantages including the facts that these are numerically cheaper probes and are independent of the boundary conditions. We test our probe in three different examples and find that simple properties like anyon charges detect the transitions. / Topologisch geordnete Phasen extravagieren ein Füllhorn faszinierender Phänomene, die in den herkömmlichen Phasen nicht wahrgenommen werden können, einschließlich der auffälligsten Eigenschaft, Quasiteilchen mit fraktionierten Ladungen und fraktion- ierten Statistiken aufzunehmen. Solche Phasen wurden mit dem bemerkenswerten Exper- iment des fraktionierten Quanten-Hall-Effekts entdeckt und finden viel Anerkennung. Die Realisierung dieser Phasen auf Gittersystemen und die Untersuchung der Anyon- Quasiteilchen sind wichtige und interessante Wege zur Erforschung der Entschlüsselung neuer Physik, die im Kontinuum nicht zu finden sind, und diese These ist ein wichtiger Beitrag in diese Richtung. Auch solche Gittermodelle, die Anyons enthalten, sind beson- ders wichtig, um die Bewegung von Anyons zu steuern, während sie experimentell mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern implementiert werden. Wir konstruieren Gittermodelle, indem wir analytische Zustände und Eltern-Hamiltonianer auf einer zwei- dimensionalen Ebene implementieren, die nicht-abelsche Anyons enthält, die als Kan- didaten für Quantenberechnungen vorgeschlagen werden. Solche Gittermodelle sind geeignet, sowohl Quasi-Löcher als auch Quasielektronen auf ähnliche Weise zu erzeu- gen und dadurch das Singularitätsproblem für die Quasielektronen im Kontinuum zu vermeiden. Jeder in diesen Modellen wird mit angemessenen Gebühren und richtigen Statistiken gut überprüft. Über zwei Dimensionen hinaus enträtseln wir die faszinierende Physik topologisch geordneter Phasen der Materie in fraktionierten Dimensionen wie in den fraktalen Gittern, indem wir dort unsere Modellkonstruktionen von analytischen Zuständen und Eltern-Hamiltonianern verwenden. Wir finden, dass die Anyons mit den richtigen Gebühren und Statistiken für alle Dimensionen gut überprüft werden. Unsere Arbeit macht den ersten Schritt, um die Lücke zwischen zwei Dimensionen und einer Dimension zu schließen und topologische Phasen anzugehen, die neue Physik enthüllen. Unsere Konstruktionen sind in diesem Zusammenhang besonders wichtig, da solche Gitter keine Translationssymmetrie aufweisen und daher für die fraktionierten Chern- Isolatorimplementierungen ungeeignet werden. Die besonderen Merkmale topologisch geordneter Phasen machen es schwierig, diese zu untersuchen, und daher wird die Detek- tion topologischer Quantenphasenübergänge schwierig. Die vorhandenen Sonden leiden in hohem Maße unter Mängeln, weshalb die Konstruktion neuer Sondenarten wichtig wird und eine hohe Nachfrage besteht. Die Robustheit der Anyon-Eigenschaften lenkt unsere Aufmerksamkeit darauf, diese als Detektor für topologische Quantenphasenübergänge mit signifikanten Vorteilen vorzuschlagen, einschließlich der Tatsache, dass dies numerisch billigere Sonden sind und von den Randbedingungen unabhängig sind. Wir testen unsere Sonde in drei verschiedenen Beispielen und stellen fest, dass einfache Eigenschaften wie Ladungen die Übergänge erfassen.

Die Betrachtung von Schwere-Fermionen-Systemen stellt ein wichtiges Themengebiet im Bereich der Festkörperphysik dar. Das Verhalten von Schwere-Fermionen-Systemen wird durch die starken Korrelationen der magnetischen Momente der ungepaarten Spins der f-Elektronen bestimmt. Experimentell zugängliche Messgrößen sind dadurch bei tiefen Temperaturen stark erhöht, so dass sich diese Systeme besonders gut zur Untersuchung von Grundzustandseigenschaften eignen. Zentrales Thema dieser Arbeit ist die Untersuchung zweier intermetallischer Seltenerd-Verbindungen in Bezug auf Quantenphasenübergänge. Diese treten am absoluten Nullpunkt der Temperatur als Funktion eines anderen Parameters wie Magnetfeld, Druck oder chemischer Substitution auf und sind bei endlicher Temperatur durch Abweichungen physikalischer Messgrößen von der durch L. D. Landau aufgestellten Theorie der Fermi-Flüssigkeiten nachzuweisen. Zu diesem Zweck wurden Tieftemperaturexperimente bis hinab zu 20mK und in Magnetfeldern bis zu 18T durchgeführt. Es wurden elektrischer Widerstand, magnetische Wechselfeldsuszeptibilität, Magnetostriktion und thermische Ausdehnung gemessen. / The investigation of heavy-fermion systems marks an important subject in the research field of solid state physics. The behaviour of heavy-fermion systems is dominated by the strong correlations of the magnetic moments of the unpaired f-electron spins. At low temperatures, experimentally accessible variables are strongly enhanced so that these systems are especially suited to analyse ground state properties. The central topic of this thesis is the investigation of two intermetallic rare-earth compounds with regard to quantum phase transitions. The latter occur at zero temperature as a function of parameters such as magnetic field, pressure or chemical substitution. They are traceable at finite temperature due to deviations of physical variables from the theory of Fermi liquids established by L. D. Landau. For this purpose, low-temperature experiments were performed down to 20mK and in magnetic fields up to 18T. Electrical resistivity, magnetic ac susceptibility, magnetostriction and thermal expansion were measured.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Kondo-Gitter YbT2Si2 (T = Rh, Ir, Co) und CeTPO (T = Ru, Os, Fe, Co) untersucht. In diesen Systemen treten starke ferromagnetische Korrelationen der 4f-Momente zusammen mit ausgeprägter Kondo-Wechselwirkung auf, deren theoretische Beschreibung bislang sehr kontrovers diskutiert wird. Diese Arbeit liefert damit einen essentiellen experimentellen Beitrag zur Physik von ferromagnetischen Kondo-Gittern. So konnten qualitativ hochwertige Einkristalle von YbRh2Si2 hergestellt und erstmalig an einem Schwere-Fermion-System deren kritische Fluktuationen um den magnetischen Phasenübergang analysiert werden. Weiterhin konnte das bis dahin unverstandene Auftreten einer Elektron-Spin-Resonanz (ESR)-Linie in YbT2Si2 auf ferromagnetische Korrelationen zurückgeführt werden. Außerdem wurde mit CeFePO ein neues Schwere-Fermion-System mit starken ferromagnetischen Korrelationen entdeckt sowie mit dem isoelektronischen CeRuPO der seltene Fall eines ferromagnetisch geordneten Kondo-Gitters realisiert. / Within the context of this thesis the Kondo lattices YbT2Si2 (T = Rh, Ir, Co) and CeTPO (T = Ru, Os, Fe, Co) were investigated. In these systems strong ferromagnetic correlations of the 4f-moments together with pronounced Kondo interactions are present, whose theoretical description are pres-ently controversial discussed. Therefore, this work gives an essential experimental contribution to the physics of ferromagnetic Kondo lattices. The main results include the growth of high-quality single crystals of YbRh2Si2 and the first analysis of the critical fluctuations around the magnetic phase transition in a heavy fermion system. Furthermore, the unexpected observation of an electron spin resonance in YbT2Si2 could be ascribed to ferromagnetic correlations. Moreover, a new heavy fermion system CeFePO with strong ferromagnetic correlations was found and with the isoelec-tronic CeRuPO the rare case of a ferromagnetic Kondo-lattice discovered.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Kondo-Gitter YbT2Si2 (T = Rh, Ir, Co) und CeTPO (T = Ru, Os, Fe, Co) untersucht. In diesen Systemen treten starke ferromagnetische Korrelationen der 4f-Momente zusammen mit ausgeprägter Kondo-Wechselwirkung auf, deren theoretische Beschreibung bislang sehr kontrovers diskutiert wird. Diese Arbeit liefert damit einen essentiellen experimentellen Beitrag zur Physik von ferromagnetischen Kondo-Gittern. So konnten qualitativ hochwertige Einkristalle von YbRh2Si2 hergestellt und erstmalig an einem Schwere-Fermion-System deren kritische Fluktuationen um den magnetischen Phasenübergang analysiert werden. Weiterhin konnte das bis dahin unverstandene Auftreten einer Elektron-Spin-Resonanz (ESR)-Linie in YbT2Si2 auf ferromagnetische Korrelationen zurückgeführt werden. Außerdem wurde mit CeFePO ein neues Schwere-Fermion-System mit starken ferromagnetischen Korrelationen entdeckt sowie mit dem isoelektronischen CeRuPO der seltene Fall eines ferromagnetisch geordneten Kondo-Gitters realisiert. / Within the context of this thesis the Kondo lattices YbT2Si2 (T = Rh, Ir, Co) and CeTPO (T = Ru, Os, Fe, Co) were investigated. In these systems strong ferromagnetic correlations of the 4f-moments together with pronounced Kondo interactions are present, whose theoretical description are pres-ently controversial discussed. Therefore, this work gives an essential experimental contribution to the physics of ferromagnetic Kondo lattices. The main results include the growth of high-quality single crystals of YbRh2Si2 and the first analysis of the critical fluctuations around the magnetic phase transition in a heavy fermion system. Furthermore, the unexpected observation of an electron spin resonance in YbT2Si2 could be ascribed to ferromagnetic correlations. Moreover, a new heavy fermion system CeFePO with strong ferromagnetic correlations was found and with the isoelec-tronic CeRuPO the rare case of a ferromagnetic Kondo-lattice discovered.