The three-body bound state problem is considered using configuration-space Faddeev equations within the framework of the total-angular-momentum representation. Different three-body systems are considered, the main concern of the investigation being the i) calculation of binding energies for weakly bounded trimers, ii) handling of systems with a plethora of states, iii) importance of three-body forces in trimers, and iv) the development of a numerical technique for reliably handling three-dimensional integrodifferential equations. In this respect we considered the three-body nuclear problem, the 4He trimer, and the Ozone (16 0 3 3) system. In practice, we solve the three-dimensional equations using the orthogonal collocation method with triquintic Hermite splines. The resulting eigenvalue equation is handled using the explicitly Restarted Arnoldi Method in conjunction with the Chebyshev polynomials to improve convergence. To further facilitate convergence, the grid knots are distributed quadratically, such that there are more grid points in regions where the potential is stronger. The so-called tensor-trick technique is also employed to handle the large matrices involved. The computation of the many and dense states for the Ozone case is best implemented using the global minimization program PANMIN based on the well known MERLIN optimization program. Stable results comparable to those of other methods were obtained for both nucleonic and molecular systems considered. / Physics / D.Phil. (Physics)

Wellenleiter Quantenelektrodynamik (Wellenleiter QED) ist ein wichtiger Baustein in vielen zukünftigen, auf Quantenmechanik basierenden Technologien wie z.B. Quantencomputer. Ein typisches Modellsystem besteht aus einem Zwei-Niveau-System (two level system, TLS), das an einen eindimensionalen Wellenleiter gekoppelt wurde. Der Wellenleiter ist dabei durch eine Dispersionsrelation charakterisiert und kann unter anderem Bandkanten enthalten. Wir haben in der Dissertation einen neuartigen Zugang zur Wellenleiter QED präsentiert. Dieser Zugang basiert auf der Quantenfeldtheorie und ermöglicht die Berechnung Greenscher Funktionen im ein- und zwei-Anregungs Unterraum. Diese Greenschen Funktionen wurden benutzt um die Streumatrix und die spektrale Dichte in beiden Unterräumen zu berechnen. Desweiteren konnten wir mit Hilfe von Feynman-Diagrammen die physikalischen Prozesse in der Störungsreihe der Greenschen Funktionen identifizieren. Dies war besonders im zwei-Anregungs-Unterraum von Nutzen. In diesem Fall verhält sich das System nichtlinear, da das TLS nur eine Anregung absorbieren kann. Dadurch werden Effekte induziert wie photon bunching und die effiziente Anregung eines gebundenen Atom-Photon Zustandes. Es war uns möglich diese Effekte in der Störungsreihe der Greenschen Funktion wieder zu finden. Desweiteren haben wir die Greenschen Funktionen im Orts-Zeit-Raum benutzt um ein- und zwei-Photon-Wellenpakete zu propagieren. Es hat sich herausgestellt dass das Verhältnis von Pulsbreite zur spontanten Emissions-zeit sowohl das Streuverhalten als auch die maximale Anregung des TLS bestimmt. Letztendlich haben wir den Einfluss von Unordnung im Wellenleiter auf das Zerfallsverhalten des TLS untersucht. Wir haben entdeckt dass der gebundene Atom-Photon Zustand instabil wird sobald die Unordnung einen kritischen Wert erreicht. Darüberhinaus haben wir eine spezielle Klasse Feynman Diagramme identifiziert, die dem Zerfall eine nichtmarkovsche Dynamik verleihen. / Waveguide quantum electrodynamics (waveguide QED) can be considered as a building block for many prospective technologies like quantum computing. A prototypical system consists of a two-level system (TLS) coupled to a one-dimensional waveguide. The waveguide is characterized by its dispersion relation and can also feature a band edge/slow-light regime. In this thesis we have presented a new theoretical framework for waveguide QED, based on quantum field theory. The framework provides the Green''s functions of the system in the single- and two-excitation sectors for an arbitrary dispersion relation. We have calculated the scattering matrix and the spectral density in both sectors. Furthermore, we have also represented the Green''s functions in the form of Feynman diagrams, from which we can identify the underlying physical processes. A special property of the system is that it behaves nonlinear in the case of two or more photons. This is rooted in the structure of the TLS, which can at most absorb one excitation. The nonlinearity leads to two effects: photon bunching and the efficient excitation of an atom-photon bound state. We have found both effects within our framework and we were able to assign them individual terms in the perturbation series of the Green''s function. Furthermore, we have used the Green''s function in space-time domain to propagate Gaussian one- and two-photon wavepackets. Here, we have identified the ratio of the pulsewidth and the spontaneous emission time as the parameter which governs both the scattering behavior of the photons and the maximal TLS excitation. Eventually, we have investigated the effects of disorder in the waveguide on the decay properties of the TLS. We have found here that the atom-photon bound state is stable for small disorder, but breaks down at sufficiently strong disorder. Furthermore, we have identified a special class of diagrams which render the system non-Markovian even for energies far away from the band edge.

The three-body bound state problem is considered using configuration-space Faddeev equations within the framework of the total-angular-momentum representation. Different three-body systems are considered, the main concern of the investigation being the i) calculation of binding energies for weakly bounded trimers, ii) handling of systems with a plethora of states, iii) importance of three-body forces in trimers, and iv) the development of a numerical technique for reliably handling three-dimensional integrodifferential equations. In this respect we considered the three-body nuclear problem, the 4He trimer, and the Ozone (16 0 3 3) system. In practice, we solve the three-dimensional equations using the orthogonal collocation method with triquintic Hermite splines. The resulting eigenvalue equation is handled using the explicitly Restarted Arnoldi Method in conjunction with the Chebyshev polynomials to improve convergence. To further facilitate convergence, the grid knots are distributed quadratically, such that there are more grid points in regions where the potential is stronger. The so-called tensor-trick technique is also employed to handle the large matrices involved. The computation of the many and dense states for the Ozone case is best implemented using the global minimization program PANMIN based on the well known MERLIN optimization program. Stable results comparable to those of other methods were obtained for both nucleonic and molecular systems considered. / Physics / D.Phil. (Physics)

In dieser Arbeit werden Algorithmen für die Berechnung elektronischer Korrelations- und Anregungsenergien mittels der Coupled-Cluster Methode auf adaptiven Gittern entwickelt und implementiert. Die jeweiligen Funktionen und Operatoren werden adaptiv durch Multiskalenanalyse dargestellt, was eine Basissatz unabängige Beschreibung mit kontrollierter numerischer Genauigkeit ermöglicht. Gleichungen für die Coupled-Cluster Methode werden in einem verallgemeinerten Rahmen, unabhängig von virtuellen Orbitalen und globalen Basissätzen, neu formuliert. Hierzu werden die amplitudengewichteten Anregungen in virtuelle Orbitale ersetzt durch Anregungen in n-Elektronenfunktionen, welche durch Gleichungen im n-Elektronen Ortsraum bestimmt sind. Die erhaltenen Gleichungen können, analog zur Basissatz abh¨angigen Form, mit leicht angepasster Interpretation diagrammatisch dargestellt werden. Aufgrund des singulären Coulomb Potentials werden die Arbeitsgleichungen mit einem explizit korrelierten Ansatz regularisiert. Coupled-Cluster singles mit genäherten doubles (CC2) und ähnliche Modelle werden, für geschlossenschalige Systeme und in regularisierter Form, in die MADNESS Bibliothek (eine allgemeine Bibliothek zur Darstellung von Funktionen und Operatoren mittels Multiskalenanalyse) implementiert. Mit der vorgestellten Methode können elektronische CC2 Paarkorrelationsenergien und Anregungsenergien mit bestimmter numerischer Genauigkeit unabhängig von globalen Basissätzen berechnet werden, was anhand von kleinen Molekülen verifiziert wird / In this work algorithms for the computation of electronic correlation and excitation energies with the Coupled-Cluster method on adaptive grids are developed and implemented. The corresponding functions and operators are adaptively represented with multiresolution analysis allowing a basis-set independent description with controlled numerical accuracy. Equations for the coupled-cluster model are reformulated in a generalized framework independent of virtual orbitals and global basis-sets. For this, the amplitude weighted excitations into virtuals are replaced by excitations into n-electron functions which are determined by projected equations in the n-electron position space. The resulting equations can be represented diagrammatically analogous to basis-set dependent approaches with slightly adjusted rules of interpretation. Due to the singular Coulomb potential, the working equations are regularized with an explicitly correlated ansatz. Coupled-cluster singles with approximate doubles (CC2) and similar models are implemented for closed-shell systems and in regularized form into the MADNESS library (a general library for the representation of functions and operators with multiresolution analysis). With the presented approach electronic CC2 pair-correlation energies and excitation energies can be computed with definite numerical accuracy and without dependence on global basis sets, which is verified on small molecules.

Cette thèse étudie quelques aspects de l'effet de proximité entre un supraconducteur (S) et un métal ferromagnétique (F). Dans un métal normal confiné entre deux électrodes supraconductrices, il se forme des états liés qui permettent le passage cohérent de paires d'électrons (de spins opposés). Le supercourant transporté par ces états dépend de la différence de phase $\phi$ entre les deux supraconducteurs. Dans le cas d'une jonction S/F/S, l'énergie d'échange ferromagnétique modifie le spectre des états liés et peut inverser la direction du supercourant (par rapport au cas S/N/S). En l'absence de courant, l'état fondamental a alors une différence de phase $\phi=\pi$ (au lieu de $\phi=0$) et l'on parle de {\it jonction $\pi$}. La transition 0-$\pi$ peut s'observer en fonction de l'épaisseur ferromagnétique, mais également en fonction de la température si l'énergie d'échange n'est pas beaucoup plus grande que le gap supraconducteur. Cette transition se caractérise par une dépendance non-monotone du courant critique avec la température, comportement que nous avons observé dans des jonctions Nb/Cu$_{52}$Ni$_{48}$/Nb. Dans ces jonctions la couche de cuivre-nickel est très faiblement ferromagnétique, voire super-paramagnétique. Le courant critique s'annule en fonction de la température à une valeur $T^*$ (inférieure à $T_c$): en-dessous de $T^*$ la jonction est dans l'état~$\pi$, au-dessus de $T^*$ elle est dans l'état~0. L'annulation est indépendante du champ magnétique qui produit une figure de diffraction toujours centrée en champ nul. L'effet Josephson alternatif étudié de part et d'autre de la transition 0-$\pi$ ne montre pas de différence entre les deux états. L'évolution du courant critique avec l'épaisseur ferromagnétique et la température peut être modélisée à partir des équations d'Usadel. Cette analyse suggère la présence d'un processus de diffusion spin-flip qui réduit fortement l'amplitude du courant critique. Les bicouches S/F présentent également des états liés dont le spectre est fonction de l'énergie d'échange et de l'épaisseur ferromagnétique. La température de transition supraconductrice présente des oscillations en fonction de ces deux paramètres, car elle est sensible à la position de ces états via l'effet de proximité inverse. Nous avons pu mesurer une faible signature de cet effet dans des bicouches Nb/CuNi. Dans les tricouches F$_1$/S/F$_2$, de type vanne de spin, la température de transition doit en théorie dépendre de l'orientation relative des aimantations ferromagnétiques. Cependant nous n'avons mesuré aucune différence dans des multicouches NiO/Co/Nb/Co, puis NiO/CuNi/Nb/CuNi, car l'épaisseur de niobium en-dessous de laquelle la supraconductivité disparaît reste plusieurs fois supérieure à la longueur de cohérence. Cette saturation de l'épaisseur critique est attribuée à un fort processus de diffusion spin-flip dans cet alliage très dilué.