Univ., Diss., 2009--Marburg.

In this thesis, the properties of nonlinear disordered one dimensional lattices is investigated. Part I gives an introduction to the phenomenon of Anderson Localization, the Discrete Nonlinear Schroedinger Equation and its properties as well as the generalization of this model by introducing the nonlinear index α. In Part II, the spreading behavior of initially localized states in large, disordered chains due to nonlinearity is studied. Therefore, different methods to measure localization are discussed and the structural entropy as a measure for the peak structure of probability distributions is introduced. Finally, the spreading exponent for several nonlinear indices is determined numerically and compared with analytical approximations. Part III deals with the thermalization in short disordered chains. First, the term thermalization and its application to the system in use is explained. Then, results of numerical simulations on this topic are presented where the focus lies especially on the energy dependence of the thermalization properties. A connection with so-called breathers is drawn. / In dieser Arbeit wird das Verhalten nichtlinearer Ketten mit Zufallspotential untersucht. Teil I enthaelt eine Einfuehrung in das Phaenomen der Anderson Lokalisierung, die Diskrete Nichtlineare Schroedinger Gleichung und ihren Eigenschaften sowie die verwendete Verallgemeinerung des Modells durch Einfuehrung eines Nichtlinearitaets-Indizes α. In Teil II wird das Ausbreitungsverhalten von lokalisierten Zustaenden in langen, ungeordneten Ketten durch die Nichtlinearitaet untersucht. Dazu werden zuerst verschiedene Lokalisierungsmaße besprochen und außerdem die strukturelle Entropie als Messgroeße der Peakstruktur eingefuehrt. Im Anschluss wird der Ausbreitungskoeffzient fuer verschiedene Nichtlinearitaets-Indizes bestimmt und mit analytischen Absch¨tzungen verglichen. Teil III behandelt schließlich die Thermalisierung in kurzen, ungeordneten Ketten. Dabei wird zuerst der Begriff Thermalisierung in dem verwendeten Zusammenhang erklaert. Danach erfolgt eine numerische Analyse von Thermalisierungseigenschaften lokalisierter Anfangszustaende, wobei die Energieabhaengigkeit besondere Beachtung genießt. Eine Verbindung mit sogenannten Breathers wird dargelegt.

Heterogeneity in lattice potentials (like random or quasiperiodic) can localize linear, non-interacting waves and halt their propagation. Nonlinearity induces wave interactions, enabling energy exchange and leading to chaotic dynamics. Understanding the interplay between the two is one of the topical problems of modern wave physics. In particular, one questions whether nonlinearity destroys localization and revives wave propagation, whether thresholds in wave energy/norm exist, and what the resulting wave transport mechanisms and characteristics are. Despite remarkable progress in the field, the answers to these questions remain controversial and no general agreement is currently achieved. This thesis aims at resolving some of the controversies in the framework of nonlinear dynamics and computational physics. Following common practice, basic lattice models (discrete Klein-Gordon and nonlinear Schroedinger equations) were chosen to study the problem analytically and numerically. In the disordered linear case all eigenstates of such lattices are spatially localized manifesting Anderson localization, while nonlinearity couples them, enabling energy exchange and chaotic dynamics. For the first time we present a comprehensive picture of different subdiffusive spreading regimes and self-trapping phenomena, explain the underlying mechanisms and derive precise asymptotics of spreading. Moreover, we have successfully generalized the theory to models with spatially inhomogeneous nonlinearity, quasiperiodic potentials, higher lattice dimensions and arbitrary nonlinearity index. Furthermore, we have revealed a remarkable similarity to the evolution of wave packets in the nonlinear diffusion equation. Finally, we have studied the limits of strong disorder and small nonlinearities to discover the probabilistic nature of Anderson localization in nonlinear disordered systems, demonstrating the finite probability of its destruction for arbitrarily small nonlinearity and exponentially small probability of its survival above a certain threshold in energy. Our findings give a new dimension to the theory of wave packet spreading in localizing environments, explain existing experimental results on matter and light waves dynamics in disordered and quasiperiodic lattice potentials, and offer experimentally testable predictions.

The first part of this work gives an introduction into aperiodic order in general and the lines of research pursued. The second part consists of eight manuscripts.

The present work deals with relaxation dynamics on complex energy landscapes. The state space of a complex system possesses, as a hallmark, the multitude of local minima separated by higher states, called barrier states. This feature gives rise to a host of non-equilibrium phenomena. From case to case, for different complex systems, ranging from atomic clusters, spin glasses and proteins to neural networks or financial markets, the key quantities like energy and temperature may have different meanings, though their functionality is the same. The numerical handling of relaxational dynamics in such complex systems, even for relatively small sizes, poses a tough challenge if the entire state space is to be considered. Here, state space sampling procedures are introduced that provide an accurate enough description for the low temperature dynamics, using small subsets from the original state space. As test cases, short range Ising spin systems were considered. The samples - depending on the way they are constructed - provide either lower bounds for the largest relaxation timescales in a quasi-ergodic component of the state space or the isothermal relaxation of the mean energy, like in the proposed DRS method. Upon the latter procedure, a parallel heuristic is built which gives the possibility of handling large samples. The collected structural data provides information of the state space topology in systems with different levels of frustration, like disordered ferromagnets and spin glasses. It provides insights into the focusing/anti-focusing types of landscapes, which give rise to different ground state accessibilities. For the large samples, the domain formation and growth has been analysed and compared with existing experimental and numerical data in literature. The algorithms proposed here become more and more accurate as the temperature is decreased and therefore they can provide an alternative to the classical Monte Carlo approach for this temperature range.

Anomale Diffusion ist nicht an stochastische Kräfte und eine große Zahl von Freiheitsgraden gebunden, sondern ist auch in chaotischen Systemen mit statischer Unordnung in den Bewegungsgleichungen zu beobachten. Einfache Modelle dieser niedrigdimensionalen Systeme, deren Dynamik durch iterierte Abbildungen vermittelt wird, können auf zufällige Irrfahrten in Zufallsumgebungen (random walks in random environments) abgebildet werden. Sinai-Unordnung beschreibt eine spezielle Klasse dieser zufälligen Irrfahrten in Zufallsumgebungen, für die mit dem asymptotischen Verhalten der Entweichrate, der mittleren quadratischen Versetzung, der Zustandsdichte der Relaxationsraten bis hin zu der als Golosov-Phänomen bekannten dynamischen Lokalisierung analytische Resultate für verschiedene anomale Transporteigenschaften bekannt sind. Die vorliegende Arbeit untersucht numerisch eine rekurrente Erweiterung dieses auf Sprünge zu benachbarten Gitterpunkten beschränkten Modells auf die genannten Transporteigenschaften. Als wesentlicher Unterschied stellt sich dabei die Verletzung von detaillierter Balance im stationären Zustand heraus, der Auswirkungen auf das präasymptotische Verhalten der Transportkoeffizienten hat. Asymptotisch zeigt sich hingegen ein Verhalten wie bei der Sinai-Unordnung.

The present work deals with relaxation dynamics on complex energy landscapes. The state space of a complex system possesses, as a hallmark, the multitude of local minima separated by higher states, called barrier states. This feature gives rise to a host of non-equilibrium phenomena. From case to case, for different complex systems, ranging from atomic clusters, spin glasses and proteins to neural networks or financial markets, the key quantities like energy and temperature may have different meanings, though their functionality is the same. The numerical handling of relaxational dynamics in such complex systems, even for relatively small sizes, poses a tough challenge if the entire state space is to be considered. Here, state space sampling procedures are introduced that provide an accurate enough description for the low temperature dynamics, using small subsets from the original state space. As test cases, short range Ising spin systems were considered. The samples - depending on the way they are constructed - provide either lower bounds for the largest relaxation timescales in a quasi-ergodic component of the state space or the isothermal relaxation of the mean energy, like in the proposed DRS method. Upon the latter procedure, a parallel heuristic is built which gives the possibility of handling large samples. The collected structural data provides information of the state space topology in systems with different levels of frustration, like disordered ferromagnets and spin glasses. It provides insights into the focusing/anti-focusing types of landscapes, which give rise to different ground state accessibilities. For the large samples, the domain formation and growth has been analysed and compared with existing experimental and numerical data in literature. The algorithms proposed here become more and more accurate as the temperature is decreased and therefore they can provide an alternative to the classical Monte Carlo approach for this temperature range.

Heterogeneity in lattice potentials (like random or quasiperiodic) can localize linear, non-interacting waves and halt their propagation. Nonlinearity induces wave interactions, enabling energy exchange and leading to chaotic dynamics. Understanding the interplay between the two is one of the topical problems of modern wave physics. In particular, one questions whether nonlinearity destroys localization and revives wave propagation, whether thresholds in wave energy/norm exist, and what the resulting wave transport mechanisms and characteristics are. Despite remarkable progress in the field, the answers to these questions remain controversial and no general agreement is currently achieved. This thesis aims at resolving some of the controversies in the framework of nonlinear dynamics and computational physics. Following common practice, basic lattice models (discrete Klein-Gordon and nonlinear Schroedinger equations) were chosen to study the problem analytically and numerically. In the disordered linear case all eigenstates of such lattices are spatially localized manifesting Anderson localization, while nonlinearity couples them, enabling energy exchange and chaotic dynamics. For the first time we present a comprehensive picture of different subdiffusive spreading regimes and self-trapping phenomena, explain the underlying mechanisms and derive precise asymptotics of spreading. Moreover, we have successfully generalized the theory to models with spatially inhomogeneous nonlinearity, quasiperiodic potentials, higher lattice dimensions and arbitrary nonlinearity index. Furthermore, we have revealed a remarkable similarity to the evolution of wave packets in the nonlinear diffusion equation. Finally, we have studied the limits of strong disorder and small nonlinearities to discover the probabilistic nature of Anderson localization in nonlinear disordered systems, demonstrating the finite probability of its destruction for arbitrarily small nonlinearity and exponentially small probability of its survival above a certain threshold in energy. Our findings give a new dimension to the theory of wave packet spreading in localizing environments, explain existing experimental results on matter and light waves dynamics in disordered and quasiperiodic lattice potentials, and offer experimentally testable predictions.

Eine Vielzahl von interessanten Phänomenen entsteht durch die quantenmechanischeWechselwirkung einer großen Zahl von Teilchen. In den meisten Fällen ist die Beschreibung der relevanten physikalischen Eigenschaften extrem schwierig, da die Komplexität des Systems exponentiell mit der Anzahl der wechselwirkenden Teilchen anwächst und das Lösen der zugrunde liegenden Schrödingergleichung unmöglich macht. Trotzdem gab es in der Geschichte der Festkörperphysik eine Reihe von bahnbrechenden Entdeckungen, die unser Verständnis von komplexen Phänomenen deutlich voran gebracht haben. Dazu zählt die Entwicklung der Landau’schen Theorie der Fermiflüssigkeit, der BCS-Theorie der Supraleitung, der Theorie der Supraflüssigkeit und der Theorie des fraktionalen Quanten-Hall-Effekts. In all diesen Fällen ist ein theoretisches Verständnis mithilfe sogenannter Quasiteilchen gelungen. Anstatt ein komplexes Phänomen durch das Verhalten von fundamentalen Teilchen wie der Elektronen zu erklären, ist es möglich, die entsprechenden Eigenschaften durch das simple Verhalten von Quasiteilchen zu beschreiben, die allein auf Grund der komplexen kollektiven Wechselwirkung entstehen. Eines der seltenen Beispiele, bei dem ein stark korreliertes quantenmagnetisches Problem analytisch lösbar ist, ist das Kitaev Modell. Es beschreibt wechselwirkende Spins auf einem Sechseck-Gitter und zeichnet sich durch einen Spinflüssigkeits-Grundzustand aus. Auch hier gelang die Lösung mittels spezieller Quasiteilchen, den Majorana Fermionen. Experimentell ist es jedoch noch nicht gelungen eine Spinflüssigkeit eindeutig nachzuweisen, da diese sich gerade durch das Fehlen jeglicher klassischer Ordnung und üblicher experimenteller Kenngrößen auszeichnet. Dagegen kann die Beobachtung von Quasiteilchenanregungen einen Hinweis auf den zugrunde liegenden Zustand liefern. Aber auch der definitive Nachweis von Majorana Fermionen in jeglicher Art System, bleibt ein ausstehendes Ziel in der modernen Festkörperphysik. Diese Arbeit befasst sich daher mit der Frage, wie solche Quasiteilchen experimentell sichtbar gemacht werden könnten. Dazu untersuchen wir den Einfluss von Unordnung auf die Zustände und Messgrößen des Kitaev Modells. Dies ist in zweierlei Hinsicht relevant. Einerseits ist Unordnung in der Natur allgegenwärtig, andererseits kann sie auch strategisch herbeigeführt werden, um die Reaktion eines System gezielt zu testen. Das zentrale Ergebnis dieser Arbeit ist, dass den Majorana Fermionen dabei in der Tat eine physikalische, messbare Bedeutung zukommt. Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in frustrierte quantenmagnetische Systeme und Spinflüssigkeiten und diskutiert einige Effekte, die durch Gitterverzerrungen oder Verunreinigungen entstehen können. Anschließend zeigen wir, wie sich durch die frustrierte Wechselwirkung im Kitaev Modell ein Spinflüssigkeits-Grundzustand herausbildet. Die analytische Lösung des Modells gelingt mit Hilfe von Majorana Fermionen, jedoch verdoppelt sich der Hilbertraum pro Spin durch die Einführung dieser Quasiteilchen. Ein zentraler Aspekt dieser Arbeit ist daher die richtige Auswahl der „physikalischen“ Zustände, also solcher, die einem Zustand im ursprünglichen Spin Modell entsprechen. Dabei unterscheiden wir zwischen offenen und periodischen Randbedingungen. Wir konnten beweisen, dass sich, in der Phase ohne Bandlücke und für periodische Systeme, stets ein angeregtes Fermion befindet. Dies führt zu großen Effekten in endlichen Systemen, wie wir anhand der Suszeptibilität und der Anregungslücke für magnetische Flüsse zeigen. Außerdem berechnen wir numerisch die statische und dynamische Suszeptibilität abhängig von der Unordnung in der Wechselwirkungsstärke. Diese Art der Unordnung entsteht beispielsweise durch unregelmäßige Gitterstrukturen oder chemische Verunreinigungen auf den nicht-magnetischen Gitterplätzen. Insbesondere ergibt die Verteilung der lokalen Suszeptibilitäten das Linienspektrum, welches sich in Kernspinresonanz Experimenten messen lässt. Für große Unordnung postulieren wir einen Übergang zu einem Zustand mit einer zufälligen Verteilung magnetischer Flüsse. Ein weiterer Kern der Dissertation ist die Untersuchung eines magnetischen Defekts im Kitaev Modell. Diese Situation beschreibt den ungewöhnlichen Fall eines Kondoeffekts in einer Spinflüssigkeit. In der Majorana Fermionen Darstellung gelingt es uns, das Problem in eine Form zu bringen, die mit Hilfe von Wilson’s numerischer Renormalisierungsgruppe untersucht werden kann. Es zeigt sich, dass dadurch eine Nullpunktsentropie des Defekts entsteht, die durch lokalisierte Majorana Fermionen erklärt werden kann. Durch die Darstellung des Kitaev Modells mithilfe von Quasiteilchen ist es möglich eine elegante Beschreibung eines komplexen, stark wechselwirkenden Systems zu finden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass den Majorana Fermionen dabei durchaus eine physikalische Bedeutung zukommt. Gelingt es sie z.B. durch magnetische Störstellen zu lokalisieren, wäre ein direkter experimenteller Nachweis möglich. / Many interesting phenomena in quantum physics arise through the quantum mechanical interaction of a large number of particles. In most cases describing the relevant physical properties is extremely difficult, because the complexity of the system increases exponentially with the number of interacting particles and solving the underlying Schrödinger equation becomes impossible. Nevertheless, our understanding of complex phenomena has progressed through some groundbreaking discoveries in the history of condensed matter physics. Examples include the development of Landau’s theory of Fermi liquids, the BCStheory of superconductivity, the theory of superfluidity and the theory of the fractional quantum Hall effect. In all these cases a theoretical understanding was achieved with so-called quasi-particles. Instead of explaining a phenomenon through the behavior of fundamental particles, such as electrons, the corresponding properties can be described by the simple behavior of quasi-particles, which are themselves a result of the complex collective interaction. One of the rare examples, where a strongly correlated quantum mechanical problem can be solved analytical, is the Kitaev model. It describes interacting spins on a honeycomb lattice and exhibits a spin liquid ground state. Here the solution was achieved by means of certain quasi-particles, called Majorana fermions. However, it has not been possible to clearly identify such a spin liquid experimentally, because its defining feature is the absence of any conventional order, in particular magnetic order. In contrast, the observation of quasiparticle excitations may hint at the nature of the ground state. But also a definite detection of Majorana fermions in any kind of system remains one of the outstanding issues in modern condensed matter physics. Therefore this thesis is devoted to the question how such quasiparticles may be found experimentally. For this reason we study the influence of disorder on the states and observables of the Kitaev model. This is relevant in two respects: Firstly, disorder is ubiquitous in nature and secondly, it may be used strategically to probe the response of a system. The central result of this work is that Majorana fermions hereby indeed obtain a true physical and observable significance. The thesis starts with an introduction of frustrated quantum mechanical systems and spin liquids, and discusses some of the effects that arise through lattice distortions or impurities. Afterwards we show how the frustrated interactions in the Kitaev model lead to a spin liquid ground state. The analytical solution of the model is achieved through the introduction of Majorana fermions. However, resulting from the introduction of these quasi-particles the Hilbert space per spin doubles. A central aspect of this thesis is therefore the right selection of the “physical” states, which correspond to a state of the original spin Hamiltonian. To do this, we distinguish between periodic and open boundary conditions explicitly. We were able to prove that there is always one excited fermion in the gapless phase of the periodic system. This leads to large finite-size effects, as we will illustrate for the susceptibility and the magnetic flux gap. Moreover we compute the static and dynamic spin susceptibilities for finite-size systems subject to disorder in the exchange couplings. In a possible experimental realization, this kind of disorder arises from lattice distortions or chemical disorder on nonmagnetic sites. Specifically, we calculate the distribution of local susceptibilities and extract the lineshape, which can be measured in nuclear-magnetic-resonance experiments. Further, for increasing disorder we predict a transition to a random-flux state. Another core of this dissertation is the investigation of a magnetic impurity in the Kitaev model. This setup represents the unusual case of a Kondo effect in a quantum spin liquid. Utilizing the Majorana representation we are able to formulate the problem in a way that can be analyzed using Wilson’s numerical renormalization group. The numerics reveal an impurity entropy which can be explained by localized Majorana fermions. Through the representation of the Kitaev model in terms of quasi-particles an elegant description of a complex, strongly correlated system is possible. The results of this thesis indicate that these Majorana acquire a relevant physical meaning. If one can localize them, for example with the help of magnetic impurities, a direct experimental observation would be feasible.

Inhalt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Physik des ungeordneten wechselwirkenden Elektronenproblems auf der isolierenden Seite des Metall-Isolator-Uebergangs. Als Modellsystem dient dabei ein verallgemeinertes Coulomb-Glas-Modell mit Transfermatrixelementen zwischen verschiedenen Plaetzen, das Quanten-Coulomb-Glas. Ziel ist, herauszufinden, wie sich die Elektron-Elektron-Wechselwirkung auf die Lokalisierungs- und Transporteigenschaften des Modells auswirkt. Im ersten Teil wird das Quanten-Coulomb-Glas in Hartree-Fock-Naeherung behandelt. Da diese Naeherung eine effektive Einteilchentheorie ist, koennen die Lokalisierungs- und Transporteigenschaften mit denselben Methoden wie beim Anderson-Modell der Lokalisierung untersucht werden. Es erweist sich, dasz die Wechselwirkung im Rahmen einer Einteilchen-Naeherung immer zu einer staerkeren Lokalisierung der Zustaende an der Fermienergie und damit zu einer Verschlechterung des Transports im Vergleich zum nichtwechselwirkenden System fuehrt. Dieses Ergebnis laeszt sich auch gut physikalisch verstehen. Im zweiten Teil steht die Frage nach der Gueltigkeit der Hartree-Fock-Naeherung fuer das Quanten-Coulomb-Glas im Mittelpunkt. Dazu werden die Hartree-Fock-Resultate mit Ergebnissen aus der exakten Diagonalisierung sehr kleiner Gitter verglichen. Es werden Lokalisierungskriterien entwickelt, die einen direkten Vergleich mit den Einteilchenlokalisierungsmaszen gestatten. Zur Beurteilung der Transporteigenschaften dient der Gleichstromleitwert nach dem Kubo-Greenwood-Formalismus. Es zeigt sich, dasz die Hartree-Fock-Naeherung den Transport unterschaetzt und dasz die Wechselwirkung im Vergleich zum nichtwechselwirkenden System bei schwacher Unordnung eine Verringerung des Transports und bei groszer Unordnung eine Erhoehung des Transports bewirkt. In dritten Teil werden Idee und Realisierung einer neuen Naeherung, der Hartree-Fock-basierten Diagonalisierung, diskutiert. Ueberlegungen und Untersuchungen zur Konvergenz von Grundzustandsenergie, Energie der angeregten Zustaende, Einteilchenzustandsdichte, Rueckkehrwahrscheinlichkeit und Leitwert werden vorgenommen. Ergebnisse fuer zweidimensionale Systeme mit 12, 16 und 25 Gitterplaetzen bei Halbfuellung werden vorgestellt. Auszerdem erfolgen Untersuchungen mit verschiedenen Wechselwirkungsstarken fuer ein-, zwei und dreidimensionale Systeme mit 25*1, 5*5 und 3*3*3 Gitterplaetzen. Die Resultate aus dem zweiten Teil bestaetigen sich: Fuer genuegend starke Unordnung induziert Wechselwirkung immer eine staerkere Delokalisierung, fuer genuegend kleine Unordnung immer eine staerkere Lokalisierung. / This work investigates the physics of the disordered interacting electron problem on the isolating side of the metal-insulator-transition. A generalized Coulomb-Glass with transfermatrixelements between next neighbours - the Quantum-Coulomb-Glass - serves as model system. The goal is to find out how electron-electron interaction influences the localization and transport properties of the model. In the first part the Quantum-Coulomb-Glass is treated at Hartree-Fock level. Because this approximation is an effective one-particle theory localization and transport properties can be investigated with the same methods as in the Anderson-Model of localization. It ist found that interaction in the framework of an one-particle approximation always leads to an enhanced localization of the states near the Fermi-energy in comparison to the nonintercting system. This also can be well understood within different physically argumentations. The second part centers around the question how valid Hartree-Fock approximation is. Thus Hartree-Fock results are compared with results for exact diagonalization of small lattices. Criteria of localization are developed which allow a direct comparison to measures of single-particle localization. The transport-properties are measured by the zero frequency Kubo-conductance. It shows that Hartree-Fock approximation underestimates the transport and that interaction leads to a decrease of transport in the region of small disorder and to an increase for strong disorder. The third part discusses idea and realisation of a new approximation - the Hartree-Fock-based diagonalization. Aguments and investigations about convergence of ground-state-energy, excited-state-energy, single-particle density of states, return probability and conductance are shown. Results for systems in two dimensions with 12, 16 and 25 sites and half filling are presented. Additionally different interaction strenghts for one-, two- and three-dimensional systems with 25*1, 5*5 and 3*3*3 sites are investigated. The results from part two are hardened: Interaction always leads to enhanced delocalization if disorder is strong enough and always leads to enhanced localization if disorder is small enough.