Orientador: Silvio A. S. Vitiello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T05:46:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Reis_MarceloAugustodos_M.pdf: 11400954 bytes, checksum: da0c111de1e988997b785a1a91546049 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Este trabalho propõe duas funções de onda variacionais baseadas no conceito de partículas sombra e que descrevem a fase sólida dos sistemas formados por átomos de 4He. Uma delas, denominada Função de Onda Sombra Livre e Periódica (PFS) fornece bons resultados para esta fase aferidos pelas suas propriedades, entre elas as energias do sistema e a distribuição radial de pares que se mostraram em bom acordo com outros resultados da literatura. A outra, denominada Função de Onda Sombra Periódica (PS) além de fornecer bons resultados para as propriedades de interesse, se destaca por conseguir descrever a fase supersólida e desse modo predizer uma Condensação de Bose-Einstein na fase sólida. Todos os resultados que obtivemos foram decorrentes de nossas próprias implementações numéricas através do método Monte Carlo Variacional / Abstract: This work proposes two variational wave functions based on the concept of shadow particles that describes the solid phase of systems formed by atoms of 4He. One of them, called Periodic Free Shadow Wave Function (PFS) provides good results for this phase like the energies of the system and the Radial Distribution Function that proved to be in good agreement with other results of the literature. The other, called the Periodic Shadow Wave Function (PS) in addition to providing good results for these properties, describes the supersolid phase and thus predicts a Bose-Einstein Condensation of the solid phase. All the results that have been obtained are due to our own numerical implementations of the Variational Monte Carlo method / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

Orientador: Silvio Antonio Sachetto Vitiello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T22:26:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pedroso_ViniciusZampronio_M.pdf: 1006322 bytes, checksum: a4558189ae209bae9a6212be5b0bd54f (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: We present a trial wave function to describe systems formed from 4He atoms. This function is able to describe the system in the liquid and solid phases, it is translationally invariant and satisfies the Bose-Einstein statistics. This wave function depends on a set of auxiliary variables integrated all over the space and favors the exchange between particles, mainly at higher densities where it is more important. We also calculated the equation of state and the pair distribution function of the liquid and solid phases of the system and results are in good agreement with the experimental data / Abstract: Apresentamos uma função de onda tentativa para descrever sistemas de átomos de 4He. Esta função é capaz de descrever o sistema nas fases sólida e liquida, é translacionalmente invariante e satisfaz a estatística de Bose-Einstein. A função proposta depende de um conjunto de variáveis auxiliares integradas em todo o espaço e favorece os processos de troca de partículas, principalmente para densidades mais altas onde ela é importante. Calculamos a equação de estado e a função de distribuição radial das fases liquida e sólida do sistema e obtivemos um ótimo acordo com dados experimentais / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Rogerio Custodio / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-05T16:17:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Politi_JoseRobertodosSantos_D.pdf: 1434250 bytes, checksum: 9907fe783c6f36299444800b1f937bc8 (MD5) Previous issue date: 2005 / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Ciências

Science and engineering problems frequently require solving a sequence of single linear systems or a sequence of dual linear systems. We develop algorithms that recycle Krylov subspaces and preconditioners from one system (or pair of systems) in the sequence to the next, leading to efficient solutions. Besides the benefit of only having to store few Lanczos vectors, using BiConjugate Gradients (BiCG) to solve dual linear systems may have application-specific advantages. For example, using BiCG to solve the dual linear systems arising in interpolatory model reduction provides a backward error formulation in the model reduction framework. Using BiCG to evaluate bilinear forms -- for example, in the variational Monte Carlo (VMC) algorithm for electronic structure calculations -- leads to a quadratic error bound. Since one of our focus areas is sequences of dual linear systems, we introduce recycling BiCG, a BiCG method that recycles two Krylov subspaces from one pair of dual linear systems to the next pair. The derivation of recycling BiCG also builds the foundation for developing recycling variants of other bi-Lanczos based methods like CGS, BiCGSTAB, BiCGSTAB2, BiCGSTAB(l), QMR, and TFQMR. We develop a generalized bi-Lanczos algorithm, where the two matrices of the bi-Lanczos procedure are not each other's conjugate transpose but satisfy this relation over the generated Krylov subspaces. This is sufficient for a short term recurrence. Next, we derive an augmented bi-Lanczos algorithm with recycling and show that this algorithm is a special case of generalized bi-Lanczos. The Petrov-Galerkin approximation that includes recycling in the iteration leads to modified two-term recurrences for the solution and residual updates. We generalize and extend the framework of our recycling BiCG to CGS, BiCGSTAB and BiCGSTAB2. We perform extensive numerical experiments and analyze the generated recycle space. We test all of our recycling algorithms on a discretized partial differential equation (PDE) of convection-diffusion type. This PDE problem provides well-known test cases that are easy to analyze further. We use recycling BiCG in the Iterative Rational Krylov Algorithm (IRKA) for interpolatory model reduction and in the VMC algorithm. For a model reduction problem, we show up to 70% savings in iterations, and we also demonstrate that solving the problem without recycling leads to (about) a 50% increase in runtime. Experiments with recycling BiCG for VMC gives promising results. We also present an algorithm that recycles preconditioners, leading to a dramatic reduction in the cost of VMC for large(r) systems. The main cost of the VMC method is in constructing a sequence of Slater matrices and computing the ratios of determinants for successive Slater matrices. Recent work has improved the scaling of constructing Slater matrices for insulators, so that the cost of constructing Slater matrices in these systems is now linear in the number of particles. However, the cost of computing determinant ratios remains cubic in the number of particles. With the long term aim of simulating much larger systems, we improve the scaling of computing determinant ratios in the VMC method for simulating insulators by using preconditioned iterative solvers. The main contribution here is the development of a method to efficiently compute for the Slater matrices a sequence of preconditioners that make the iterative solver converge rapidly. This involves cheap preconditioner updates, an effective reordering strategy, and a cheap method to monitor instability of ILUTP preconditioners. Using the resulting preconditioned iterative solvers to compute determinant ratios of consecutive Slater matrices reduces the scaling of the VMC algorithm from O(n^3) per sweep to roughly O(n^2), where n is the number of particles, and a sweep is a sequence of n steps, each attempting to move a distinct particle. We demonstrate experimentally that we can achieve the improved scaling without increasing statistical errors. / Ph. D.

As a degree project in Theoretical Physics, the variational MCMC-scheme aided by neural network quantum states was examined for the purpose ofsolving the nuclear pairing model. The method entailed minimization of the local energy sampled via the Born distribution obtained through the neural network output.Both the ground and excited states' energies were computed, where the latter case used an extended loss function which included the overlap to the former.The NNQS-ansatz worked well when emulating the ground state, in which case the Stochastic Reconfiguration optimization method was particularly effective. This optimization method resulted in relative fast convergence to low variance states, and did not require a large number of hyperparameter modifications. Ultimately, all resulting energy intervals encompassed the exact ground state solutions, and had relative errors equal to or near zero.For the excited states, the VMC-NNQS was less effective, as each individual occupation number state investigated required considerable hyperparameter testing before reasonably low lying energy eigenstates could be obtained. Moreover, the convergence properties were less distinguished than for the ground state, as the optimization struggled to maintain orthogonality to the ground state. Nonetheless, the final results included the nearest solutions of the first excited states for several systems and indicated correlation energies similar to those of the ground state. / Som examensarbete inom teoretisk fysik undersöktes den variationella MCMC-metoden tillsammans med neurala nätverk i syfte att lösa kärnparsmodellen. Metoden innebar minimering av den lokala energin som samplades via Born-fördelningen erhållen genom utdata från neurala nätverksapproximationer. Både grundtillståndets och exciterade tillstånds energier beräknades, där det senare fallet använde en utökad kostnadsfunktion som inkluderade överlappet med det förnämnda. NNQS-ansatsen fungerade väl vid emulering av grundtillståndet, i vilket fall optimeringsmethoden stokastisk omkonfigurering (Stochastic Reconfiguration) var särskilt effektivt. Denna optimeringsmetod resulterade i relativt snabb konvergens till lågvarianstillstånd och krävde inte ett stort antal hyperparametriska modifieringar. De slutliga energiintervallen innefattade de exakta lösningarna för grundtillstånden med en relativ felmarginal lika med eller nära noll. För exciterade tillstånd var VMC-NNQS mindre effektivt, eftersom varje enskilt ockupationstillstånd som undersöktes krävde en ansenlig mängd hyperparametrisk testning innan rimligt låga egentillstånd kunde erhållas. Dessutom var konvergensensegenskaperna mycket mindre särspäglade än för grundtillståndet, eftersom optimeringen inte fullt kunde upprätthålla ortogonaliteten mot grundtillståndet. Likväl inkluderade de slutliga resultaten de närmaste lösningarna av de första exciterade energierna för ett flertal system, och visade på korrelationsenergier liknande de för grundtillståndet.

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Quantum spin liquids (QSLs) are strongly correlated systems displaying fascinating phenomena like long-range entanglement and fractionalized excitations. The research on these states has since its beginning followed trends generated by the synthesis of new compounds and the construction of new theoretical tools. In coherence with this history, a manifold of new results about QSLs were established during the past decade due to studies on the integrable Kitaev model on the honeycomb lattice. This j = 1/2 model displays bond-dependent and anisotropic exchanges that are essential to stabilize its QSL ground state with Majorana fermion excitations and emergent Z2 gauge field. Even more interestingly, this model is relevant to understand the magnetism of a certain class of 4/5d5 Mott insulators with specific lattice constraints, t2g orbital degeneracy and strong spin-orbit coupling (SOC). This mechanism defining these so-called Kitaev materials can be applied to similar compounds based on transition metal ions in different electronic configurations. In this thesis, I investigate minimal models for two types of 4/5d1 Mott insulators: the ones on the ordered double perovskite structure (ODP) and the ones isostructural to the Kitaev materials. Their effective models generically show bond-dependent and anisotropic interactions involving multipoles of an effective j = 3/2 angular momentum. Such degrees of freedom are conveniently written in terms of pseudospin s and pseudo-orbital τ operators resembling spin and orbital operators of Kugel-Khomskii models with twofold orbital degeneracy. Despite their anisotropy, the two realistic models display continuous global symmetries in the limit of vanishing Hund\'s coupling enhancing quantum fluctuations and possibly stabilizing a QSL phase. Parton mean-field theory was used to propose fermionic QSLs that will be called quantum spin-orbital liquids (QSOLs) due their dependence with s and τ. On ODPs, I studied a chiral QSOL with Majorana fermion excitations and a gapless spectrum characterized by nodal lines along the edges of the Brillouin zone. These nodal lines are topological defects of a non-Abelian Berry connection and the system exhibits dispersing surface states. Several experimental responses of the chiral QSOL within the mean-field approximation are compared with the experimental data available for the spin liquid candidate Ba2YMoO6. Moreover, based on a symmetry analysis, I discuss the operators involved in resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) amplitudes for 4/5d1 Mott insulators and show that the RIXS cross sections allow one to selectively probe pseudospin and pseudo-orbital degrees of freedom. For the chiral spin-orbital liquid in particular, these cross sections provide information about the spectrum for different flavors of Majorana fermions. The model for materials isostructural to the Kitaev materials has an emergent SU(4) symmetry that is made explicit by means of a Klein transformation on pseudospin degrees of freedom. The model is known to stabilize a QSOL on the honeycomb lattice and instigated the investigation of QSOLs on a generalization of this lattice to three dimensions. Parton mean-field theory was used once again to propose the liquid states, and a variational Monte Carlo (VMC) method was used to compute the energies of the projected wave functions. The numerical results show that the lowest-energy QSOL corresponds to a zero-flux state with a Fermi surface of four-color fermionic partons. Further VMC computations also revealed that this state is stable against formation of plaquette ordering (tetramerization). The energy of this QSOL is highly competitive even when Hund\'s coupling induced perturbations are included, as shown by comparison with simple ordered states. Extensions and perspectives for future work are discussed in the end of this thesis. / Líquidos de spin quânticos (QSLs) são sistemas fortemente correlacionados que apresentam fenômenos fascinantes como emaranhamento de longo alcance e excitações fracionárias. A pesquisa a respeito destes estados seguiu tendências geradas pela síntese de novos compostos e construção de novas técnicas teóricas desde seu princípio. Coerentemente com essa história, uma variedade de novos resultados a respeito de líquidos de spin foram estabelecidos na última década graças a estudos feitos sobre o modelo integrável de Kitaev na rede colmeia. Este modelo de spins j = 1/2 apresenta interações de troca anisotrópicas e direcionalmente dependentes que são essenciais para estabilizar um estado fundamental do tipo QSL com férmions de Majorana e campo de gauge Z2 emergente. Ainda mais interessante, este modelo é relevante para se entender o magnetismo de uma certa classe de isolantes de Mott baseados em metais de transição na configuração 4/5d5 em redes específicas, degenerescência orbital t2g e acoplamento spin-órbita forte (SOC). Esse mecanismo que define os chamados materiais do tipo Kitaev podem ser aplicados a compostos baseados em metais de transição em configurações eletrônicas diferentes. Nesta tese, eu investigo modelos mínimos para dois tipos de isolantes de Mott do tipo 4/5d1: os que se apresentam na estrutura perovskita dupla ordenada (ODP) e os isostruturais aos materiais do tipo Kitaev. Seus modelos efetivos genericamente apresentam interações multipolares anisotrópicas e direcionalmente dependentes de um momento angular efetivo j = 3/2. Estes graus de liberdade são convenientemente escritos em termos de operadores de pseudospin s e pseudo-orbital τ semelhantes a operadores de spin e orbital de modelos do tipo Kugel-Khomskii com orbitais duplamente degenerados. A despeito da anisotropia, esses dois modelos realísticos apresentam simetrias globais contínuas no limite de acoplamento de Hund nulo que incrementam flutuações quânticas e possivelmente estabilizam uma fase do tipo QSL. A teoria de campo médio com partons foi usada para propor QSLs fermiônicos que serão chamados de líquidos spin-orbitais quânticos (QSOLs) devido à dependência deles com s e τ. Em ODPs, eu estudei um líquido de spin quiral com excitações do tipo férmion de Majorana e um espectro sem gap caracterizado por linhas nodais ao longo das arestas da zona de Brillouin. Essas linhas nodais são defeitos topológicos de uma conexão de Berry não-abeliana e o sistema apresenta estados de superfície dispersivos. Várias respostas experimentais foram calculadas para o QSOL quiral dentro da aproximação de campo médio e comparadas com os dados experimentais disponíveis para o candidato a líquido de spin Ba2YMoO6. Além disso, baseado em uma análise de simetria, discuto os operadores envolvidos nas amplitudes de espalhamento de raios-x ressonante para isolantes de Mott na configuração 4/5d1 e mostro que seções de choque de RIXS permitem estudar seletivamente os graus de liberdade de pseudospins e pseudo-orbitais. Para o caso particular do líquido spin-orbital quiral, essas seções de choque nos fornecem informações sobre o espectro de diferentes sabores de férmions de Majorana. Esse modelo possui uma simetria SU(4) emergente que é tornada explícita através de uma transformações de Klein nos graus de liberdade de pseudospin. Sabe-se que este modelo estabiliza um QSOL na rede colmeia, o que instigou uma investigação de QSOLs na generalização desta rede em três dimensões. A teoria de campo médio com partons foi usada novamente para propor estes líquidos quânticos, e o método de Monte Carlo Variacional (VMC) foi usado para calcular as energias das funções de onda projetadas. Os resultados numéricos mostraram que o QSOL de menor energia corresponde a um estado de fluxo-zero com superfície de Fermi envolvendo partons fermiônicos de quatro cores. Cálculos adicionais com VMC também demonstraram que este estado é estável à formação de ordem de plaquetas (tetramerização). A energia deste QSOL é altamente competitiva mesmo quando perturbações induzidas pelo acoplamento de Hund são incluídas, o que é mostrado através da comparação com estados ordenados simples. Extensões e perspectivas para trabalhos futuros são discutidas no final desta tese.

Quantum spin liquids (QSLs) are strongly correlated systems displaying fascinating phenomena like long-range entanglement and fractionalized excitations. The research on these states has since its beginning followed trends generated by the synthesis of new compounds and the construction of new theoretical tools. In coherence with this history, a manifold of new results about QSLs were established during the past decade due to studies on the integrable Kitaev model on the honeycomb lattice. This j = 1/2 model displays bond-dependent and anisotropic exchanges that are essential to stabilize its QSL ground state with Majorana fermion excitations and emergent Z2 gauge field. Even more interestingly, this model is relevant to understand the magnetism of a certain class of 4/5d5 Mott insulators with specific lattice constraints, t2g orbital degeneracy and strong spin-orbit coupling (SOC). This mechanism defining these so-called Kitaev materials can be applied to similar compounds based on transition metal ions in different electronic configurations. In this thesis, I investigate minimal models for two types of 4/5d1 Mott insulators: the ones on the ordered double perovskite structure (ODP) and the ones isostructural to the Kitaev materials. Their effective models generically show bond-dependent and anisotropic interactions involving multipoles of an effective j = 3/2 angular momentum. Such degrees of freedom are conveniently written in terms of pseudospin s and pseudo-orbital τ operators resembling spin and orbital operators of Kugel-Khomskii models with twofold orbital degeneracy. Despite their anisotropy, the two realistic models display continuous global symmetries in the limit of vanishing Hund\'s coupling enhancing quantum fluctuations and possibly stabilizing a QSL phase. Parton mean-field theory was used to propose fermionic QSLs that will be called quantum spin-orbital liquids (QSOLs) due their dependence with s and τ. On ODPs, I studied a chiral QSOL with Majorana fermion excitations and a gapless spectrum characterized by nodal lines along the edges of the Brillouin zone. These nodal lines are topological defects of a non-Abelian Berry connection and the system exhibits dispersing surface states. Several experimental responses of the chiral QSOL within the mean-field approximation are compared with the experimental data available for the spin liquid candidate Ba2YMoO6. Moreover, based on a symmetry analysis, I discuss the operators involved in resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) amplitudes for 4/5d1 Mott insulators and show that the RIXS cross sections allow one to selectively probe pseudospin and pseudo-orbital degrees of freedom. For the chiral spin-orbital liquid in particular, these cross sections provide information about the spectrum for different flavors of Majorana fermions. The model for materials isostructural to the Kitaev materials has an emergent SU(4) symmetry that is made explicit by means of a Klein transformation on pseudospin degrees of freedom. The model is known to stabilize a QSOL on the honeycomb lattice and instigated the investigation of QSOLs on a generalization of this lattice to three dimensions. Parton mean-field theory was used once again to propose the liquid states, and a variational Monte Carlo (VMC) method was used to compute the energies of the projected wave functions. The numerical results show that the lowest-energy QSOL corresponds to a zero-flux state with a Fermi surface of four-color fermionic partons. Further VMC computations also revealed that this state is stable against formation of plaquette ordering (tetramerization). The energy of this QSOL is highly competitive even when Hund\'s coupling induced perturbations are included, as shown by comparison with simple ordered states. Extensions and perspectives for future work are discussed in the end of this thesis. / Líquidos de spin quânticos (QSLs) são sistemas fortemente correlacionados que apresentam fenômenos fascinantes como emaranhamento de longo alcance e excitações fracionárias. A pesquisa a respeito destes estados seguiu tendências geradas pela síntese de novos compostos e construção de novas técnicas teóricas desde seu princípio. Coerentemente com essa história, uma variedade de novos resultados a respeito de líquidos de spin foram estabelecidos na última década graças a estudos feitos sobre o modelo integrável de Kitaev na rede colmeia. Este modelo de spins j = 1/2 apresenta interações de troca anisotrópicas e direcionalmente dependentes que são essenciais para estabilizar um estado fundamental do tipo QSL com férmions de Majorana e campo de gauge Z2 emergente. Ainda mais interessante, este modelo é relevante para se entender o magnetismo de uma certa classe de isolantes de Mott baseados em metais de transição na configuração 4/5d5 em redes específicas, degenerescência orbital t2g e acoplamento spin-órbita forte (SOC). Esse mecanismo que define os chamados materiais do tipo Kitaev podem ser aplicados a compostos baseados em metais de transição em configurações eletrônicas diferentes. Nesta tese, eu investigo modelos mínimos para dois tipos de isolantes de Mott do tipo 4/5d1: os que se apresentam na estrutura perovskita dupla ordenada (ODP) e os isostruturais aos materiais do tipo Kitaev. Seus modelos efetivos genericamente apresentam interações multipolares anisotrópicas e direcionalmente dependentes de um momento angular efetivo j = 3/2. Estes graus de liberdade são convenientemente escritos em termos de operadores de pseudospin s e pseudo-orbital τ semelhantes a operadores de spin e orbital de modelos do tipo Kugel-Khomskii com orbitais duplamente degenerados. A despeito da anisotropia, esses dois modelos realísticos apresentam simetrias globais contínuas no limite de acoplamento de Hund nulo que incrementam flutuações quânticas e possivelmente estabilizam uma fase do tipo QSL. A teoria de campo médio com partons foi usada para propor QSLs fermiônicos que serão chamados de líquidos spin-orbitais quânticos (QSOLs) devido à dependência deles com s e τ. Em ODPs, eu estudei um líquido de spin quiral com excitações do tipo férmion de Majorana e um espectro sem gap caracterizado por linhas nodais ao longo das arestas da zona de Brillouin. Essas linhas nodais são defeitos topológicos de uma conexão de Berry não-abeliana e o sistema apresenta estados de superfície dispersivos. Várias respostas experimentais foram calculadas para o QSOL quiral dentro da aproximação de campo médio e comparadas com os dados experimentais disponíveis para o candidato a líquido de spin Ba2YMoO6. Além disso, baseado em uma análise de simetria, discuto os operadores envolvidos nas amplitudes de espalhamento de raios-x ressonante para isolantes de Mott na configuração 4/5d1 e mostro que seções de choque de RIXS permitem estudar seletivamente os graus de liberdade de pseudospins e pseudo-orbitais. Para o caso particular do líquido spin-orbital quiral, essas seções de choque nos fornecem informações sobre o espectro de diferentes sabores de férmions de Majorana. Esse modelo possui uma simetria SU(4) emergente que é tornada explícita através de uma transformações de Klein nos graus de liberdade de pseudospin. Sabe-se que este modelo estabiliza um QSOL na rede colmeia, o que instigou uma investigação de QSOLs na generalização desta rede em três dimensões. A teoria de campo médio com partons foi usada novamente para propor estes líquidos quânticos, e o método de Monte Carlo Variacional (VMC) foi usado para calcular as energias das funções de onda projetadas. Os resultados numéricos mostraram que o QSOL de menor energia corresponde a um estado de fluxo-zero com superfície de Fermi envolvendo partons fermiônicos de quatro cores. Cálculos adicionais com VMC também demonstraram que este estado é estável à formação de ordem de plaquetas (tetramerização). A energia deste QSOL é altamente competitiva mesmo quando perturbações induzidas pelo acoplamento de Hund são incluídas, o que é mostrado através da comparação com estados ordenados simples. Extensões e perspectivas para trabalhos futuros são discutidas no final desta tese.