In dieser Dissertation werden Programmtransformationen für die Klasse der regulär-irregulären Schleifenkomplexe, welche typischerweise in komplexen Simulationscodes für Vielteilchensysteme auftreten, betrachtet. Dabei wird die Effizienz der resultierenden Programme auf modernen Multicore-Systemen untersucht. Reguläre Schleifenkomplexe zeichnen sich durch feste Schleifengrenzen und eine regelmäßige Struktur der Abhängigkeiten der Berechnungen aus, bei irregulären Berechnungen sind Abhängigkeiten zwischen Berechnungen erst zur Laufzeit bekannt und stark von den Eingabedaten abhängig. Die hier betrachteten regulären-irregulären Berechnungen koppeln beide Arten von Berechnungen eng. Die Herausforderung der effizienten Realisierung regulär-irregulärer Schleifenkomplexe auf modernen Multicore-Systemen liegt in der Kombination von Transformationstechnicken, die sowohl ein hohes Maß an Parallelität erlauben als auch die Lokalität der Berechnungen berücksichtigen. Moderne Multicore-Systeme bestehen aus einer komplexen Speicherhierachie aus privaten und gemeinsam genutzten Caches, sowie einer gemeinsamen Speicheranbindung. Diese neuen architektonischen Merkmale machen es notwendig Programmtransformationen erneut zu betrachten und die Effizienz der Berechnungen neu zu bewerten. Es werden eine Reihe von Transformationen betrachtet, die sowohl die Reihenfolge der Berechnungen als auch die Reihenfolge der Abspeicherung der Daten im Speicher ändern, um eine erhöhte räumliche und zeitliche Lokalität zu erreichen. Parallelisierung und Lokalität sind eng verknüpft und beeinflussen gemeinsam die Effizienz von parallelen Programmen. Es werden in dieser Arbeit verschiedene Parallelisierungsstrategien für regulär-irreguläre Berechnungen für moderne Multicore-Systeme betrachtet. Einen weiteren Teil der Arbeit bildet die Betrachtung rein irregulärer Berechnungen, wie sie typisch für eine große Anzahl von Vielteilchensimualtionscodes sind. Auch diese Simulationscodes wurden für Multicore-Systeme betrachtet und daraufhin untersucht, inwieweit diese auf modernen Multicore-CPUs skalieren. Die neuartige Architektur von Multicore-System, im besonderen die in hohem Maße geteilte Speicherbandbreite, macht auch hier eine neue Betrachtung solcher rein irregulärer Berechnungen notwendig. Es werden Techniken betrachtet, die die Anzahl der zu ladenden Daten reduzieren und somit die Anforderungen an die gemeinsame Speicherbandbreite reduzieren.

While in conventional superconductors coupling between electrons and phonons is known to be responsible for the electron pairing, for the high temperature superconductors the pairing media remains under debates. Since the interactions of electrons with other degrees of freedom (phonons, magnetic excitations, etc) manifest themselves by an additional renormalization in the electronic dispersion, they can be investigated by means of Angle Resolved Photoelectron Spectroscopy. In the work renormalization in two families of high Tc cuprates have been studied. Along the diagonal of the two-dimensional BZ, the renormalization effects are represented by an unusual band dispersion that develops a so-called ‘‘kink’’. In the vicinity of the (pi, 0) point of the BZ, where the order parameter reaches its maximum, the renormalization is noticeably stronger and makes itself evident even in the shape of a single spectral line measured for a fixed momentum. It was shown that for the Bi-2212 samples substitution of Cu atoms in Cu-O plane changes renormalization features in ARPES spectra both in nodal and antinodal parts of the Brillouin zone. The smearing of the dip in the in the spectral line shape measured at (pi; 0) point can be well explained by coupling of electrons to the magnetic resonance mode. The effect of Zn and Ni substitution on the antinodal ARPES spectra was shown to be in good agreement with the influence of these impurities on magnetic resonance mode seen in inelastic neutron scattering experiments. This, in addition to the previous ARPES studies of temperature and doping dependence of peak-dip-hump structure, mass renormalization near antinodal region and a kink in the nodal part of Brillouin zone, provides further evidence that the coupling to magnetic excitations, rather than to phonons, is responsible for the observed unusual renormalization. Unlike the well studied Bi-2212 family of cuprates, photoemission on YBCO-123 turns out to be much more complicated. The observed spectra have a strong contribution from a heavily overdoped surface component with the hole doping level of about x~0.30, which is weakly dependent on the sample stochiometry. Absence of any signs of superconductivity in the spectra of the overdoped component was argued to result from the unusually high doping level. This conclusion is supported by the fact that the overdoped bands give rise to the Fermi surface and band structure consistent with the predictions of the LDA calculations, as well as, by the dependence of the photoemission matrix element on the excitation energy, which closely follows that of the superconducting bulk component. Specific experimental geometry was used to enhance the signal coming from the superconducting component. In particular, experiments with circularly polarized light bundled with simple theoretical considerations enabled better separation of the surface and the bulk components. This type of experiments also suggests that the overdoped component is mainly localized in the topmost CuO2 bilayer, while the next bilayers in the YBCO-123 structure already represent bulk properties and retain superconductivity. Using partially Ca substituted samples it was possible to obtain spectra with a suppressed overdoped component. The likely reason for the suppression is a shift of the most probable cleavage plane from the Ba–O interface to the Y layer. Spectra from the Ca substituted sample clearly reveal a sizable superconducting gap, and strong renormalization effects in the vicinity of the antinodal point. The fact that the renormalization vanishes above Tc and has strong momentum dependence, diminishing away from the (pi; 0)/(0; pi) point, strongly suggests that the reason for this renormalization in YBCO-123 is coupling of the electronic subsystem to spin resonance, similar to the case of Bi-2212.

Ce travail de doctorat s'inscrit dans le cadre des techniques adaptées à la résolution du problème à N corps nucléaire. Il a été motivé par la perspective d'utiliser des méthodes allant au-delà de l'approximation de champ moyen pour améliorer la description des spectres d'excitation des noyaux stables et exotiques, notamment les états de basse énergie et les résonances géantes. À cette fin, l'approche choisie est le développement de modèles basés sur la second random-phase approximation (SRPA) utilisée avec une procédure de soustraction. Ces développements ont pour but d'étendre le champ d'applicabilité du modèle initial et d'inclure des corrélations dans l'état fondamental.Une première partie consiste en l'application de la SRPA avec une méthode de soustraction à l'étude de la réponse dipolaire (comprenant la polarisabilité électrique dipolaire) et quadrupolaire de noyaux de masse moyenne à lourds. Nous vérifions que la SRPA avec soustraction corrige les problèmes observés avec la SRPA standard et améliore la description des spectres d'excitation, comparativement à la random-phase approximation (RPA). Nous étudions également les effets au-delà du champ moyen dûs à la SSRPA avec soustraction, en exploitant la relation entre les modes de respiration axiaux des noyaux et la masse effective de la matière nucléaire.Une seconde partie est dédiée à des extensions.Premièrement, nous étendons les outils numérique initiaux en utilisant l'approximation equal-filling (EFA) afin de permettre les applications aux noyaux ayant une orbitale partiellement occupée. Nous proposons ensuite une méthode d'estimation partielle des effets d'appariement en utilisant des nombres d'occupation corrélés.Une étude des moyens de renormaliser la SRPA avec soustraction est menée en employant un modèle allant au-delà de l'approximation de quasiboson. Cette extension est également basée sur l'utilisation de nombres d'occupation comme moyen d'inclure des corrélations dans l'état fondamental. Nous montrons que les corrélations obtenues par le calcul itératif en RPA des nombres d'occupation ne sont pas suffisantes pour corriger les problèmes de la SRPA standard. / This Ph.D. work falls within the scope of theoretical techniques tailored to the solution of the nuclear many-body problem. It was motivated by the perspective of using beyond-mean-field methods to improve the description of excitation spectra of stable and exotic nuclei, especially the low-energy states and the giant resonances. The chosen path in this direction is the development of models based on the second random-phase approximation (SRPA) used with a subtraction procedure. These developments aim to extend the range of applicability of the initial model and to include correlations in the ground state.A first part consists in applying the SRPA used with a subtraction method to the study of the dipole and quadrupole response in medium to heavy-mass nuclei, including the electric dipole polarizability. We verify that the subtracted SRPA corrects the problems observed with the standard SRPA model and improves the description of excitation spectra compared to the random-phase approximation (RPA). We also study beyond-mean-field effects that arise in the subtracted SRPA by exploiting the relation between the axial breathing modes in nuclei and the effective mass in nuclear matter.A second part is dedicated to extensions.As a first step, we extend the initial numerical tools by employing the equal-filling approximation (EFA), to enable the applications to nuclei with partially-occupied orbitals. We next propose a method to estimate part of the pairing effects using correlated occupation numbers.A study of possible ways to renormalize the subtracted SRPA is carried out by employing a model which goes beyond the quasiboson approximation. This extension also relies on the use of occupation numbers as a means to include ground state correlations. We show that correlations obtained from the computation of occupation numbers in iterative RPA calculations are not sufficient to address the standard SRPA drawbacks.

Le domaine des problèmes quantiques à N-corps à l'équilibre et hors d'équilibre sont des sujets majeurs de la Physique et de la Physique de la matière condensée en particulier. Les propriétés d'équilibre de nombreux systèmes unidimensionnels en interaction sont bien comprises d'un point de vue théorique, des chaînes de spins aux théories quantiques des champs dans le continue. Ces progrès ont été rendus possibles par le développement de nombreuses techniques puissantes, comme, par exemple, l'ansatz de Bethe, le groupe de renormalisation, la bosonisation, les états produits de matrices ou la théorie des champs invariante conforme. Même si les propriétés à l'équilibre de nombreux modèles soient connues, ceci n'est en général pas suffisant pour décrire leurs comportements hors d'équilibre, et ces derniers restent moins explorés et beaucoup moins bien compris. Les modèles d'impuretés quantiques représentent certains des modèles à N-corps les plus simples. Mais malgré leur apparente simplicité ils peuvent capturer plusieurs phénomènes expérimentaux importants, de l'effet Kondo dans les métaux aux propriétés de transports dans les nanostructures, comme les points quantiques. Dans ce travail nous considérons un modèle d'impureté appelé "modèle de niveau résonnant en interaction" (IRLM). Ce modèle décrit des fermions sans spin se propageant dans deux fils semi-infinis qui sont couplés à un niveau résonant -- appelé point ou impureté quantique -- via un terme de saut et une répulsion Coulombienne. Nous nous intéressons aux situations hors d'équilibre où un courant de particules s'écoule à travers le point quantique, et étudions les propriétés de transport telles que le courant stationnaire (en fonction du voltage), la conductance différentielle, le courant réfléchi, le bruit du courant ou encore l'entropie d'intrication. Nous réalisons des simulations numériques de la dynamique du modèle avec la méthode du groupe de renormalisation de la matrice densité dépendent du temps (tDMRG), qui est basée sur une description des fonctions d'onde en terme d'états produits de matrices. Nous obtenons des résultats de grande précision concernant les courbes courant-voltage ou bruit-voltage de l'IRLM, dans un grand domaine de paramètres du modèle (voltage, force de l'interaction, amplitude de saut vers le dot, etc.). Ces résultats numériques sont analysés à la lumière de résultats exacts de théorie des champs hors d'équilibre qui ont été obtenus pour un modèle similaire à l'IRLM, le modèle de Sine-Gordon avec bord (BSG). Cette analyse est en particulier basée sur l'identification d'une échelle d'énergie Kondo et d'exposants décrivant les régimes de petit et grand voltage. Aux deux points particuliers où les modèles sont connus comme étant équivalents, nos résultats sont en accord parfait avec la solution exacte. En dehors de ces deux points particuliers nous trouvons que les courbes de transport de l'IRLM et du modèle BSG demeurent très proches, ce qui était inattendu et qui reste dans une certaine mesure inexpliqué. / The fields of in- and out-of-equilibrium quantum many-body systems are major topics in Physics, and in condensed-matter Physics in particular. The equilibrium properties of one-dimensional problems are well studied and understood theoretically for a vast amount of interacting models, from lattice spin chains to quantum fields in a continuum. This progress was allowed by the development of diverse powerful techniques, for instance, Bethe ansatz, renormalization group, bosonization, matrix product states and conformal field theory. Although the equilibrium characteristics of many models are known, this is in general not enough to describe their non-equilibrium behaviors, the latter often remain less explored and much less understood. Quantum impurity models represent some of the simplest many-body problems. But despite their apparent simplicity, they can capture several important experimental phenomena, from the Kondo effect in metals to transport in nanostructures such as point contacts or quantum dots. In this thesis consider a classic impurity model - the interacting resonant level model (IRLM). The model describes spinless fermions in two semi-infinite leads that are coupled to a resonant level -- called quantum dot or impurity -- via weak tunneling and Coulomb repulsion. We are interested in out-of-equilibrium situations where some particle current flows through the dot, and study transport characteristics like the steady current (versus voltage), differential conductance, backscattered current, current noise or the entanglement entropy. We perform extensive state-of-the-art computer simulations of model dynamics with the time-dependent density renormalization group method (tDMRG) which is based on a matrix product state description of the wave functions. We obtain highly accurate results concerning the current-voltage and noise-voltage curves of the IRLM in a wide range parameter of the model (voltage bias, interaction strength, tunneling amplitude to the dot, etc.).These numerical results are analyzed in the light of some exact out-of-equilibrium field-theory results that have been obtained for a model similar to the IRLM, the boundary sine-Gordon model (BSG).This analysis is in particular based on identifying an emerging Kondo energy scale and relevant exponents describing the high- and low- voltage regimes. At the two specific points where the models are known to be equivalent our results agree perfectly with the exact solution. Away from these two points, we find that, within the precision of our simulations, the transport curves of the IRLM and BSG remain very similar, which was not expected and which remains somewhat unexplained.

<p>Dipole-dipole interactions are ubiquitous fundamental physical phenomena that govern physical effects such as Casimir Forces, van der Waals forces, collective Lamb shifts, cooperative decay, and resonance energy transfer. These interactions are associated with real and virtual photon exchange between the interacting emitters. Such interactions are crucial in realizing quantum memories, novel super-radiant light sources, and light-harvesting devices. Owing to this, the control and modification of dipole-dipole interactions have been a longstanding theme. The electromagnetic environment plays a crucial role in enhancing the range and strength of the interactions. This work focuses on modifying the nanophotonic environment near interacting emitters to enhance dipole-dipole interactions instead of spontaneous emission. To this end, we focus on engineering the nanophotonic environment to enhance the strength and range of dipole-dipole interactions between an ensemble of emitters. We explore ordered and disordered nanophotonic structures. We experimentally demonstrate long-range dipole-dipole interactions mediated by surface lattice resonances in a periodic plasmonic nanoparticle lattice. Further, the modified electromagnetic environment reduces the apparent dimensionality of the interacting system compared to non-resonant in-homogeneous and homogeneous environments. We also develop a spectral domain inverse design technique for the accelerated discovery of disordered metamaterials with unique spectral features. </p> <p>Further, we explore the novel regimes of light localization at near-zero-index in such disordered media. The disordered near-zero-index medium reveals enhanced localization and near-field chirality. This work paves the way to engineer the electromagnetic nanophotonic environment to realize enhanced long-range dipole-dipole interactions.</p>

Exciton dynamics in semiconductor nanostructures are dominated by the effects of many-body physics. The application of coherent spectroscopic tools, such as two-dimensional Fourier transform spectroscopy (2dFTS), to the study of these systems can reveal signatures of these effects, and in combination with sophisticated theoretical modeling, can lead to more complete understanding of the behaviour of these systems. 2dFTS has previously been applied to the study of GaAs quantum well samples. In this thesis, we outline a precis of the technique before describing our own experiments using 2dFTS in a partially collinear geometry. This geometry has previously been used to study chemical systems, but we believe these experiments to be the first such performed on semiconductor samples. We extend this technique to a reflection mode 2dFTS experiment, which we believe to be the first such measurement. In order to extend the techniques of coherent spectroscopy to structured systems, we construct an experimental apparatus that permits us to control the beam geometry used to perform four-wave mixing reflection measurements. To isolate extremely weak signals from intense background fields, we extend a conventional lock-in detection scheme to one that treats the optical fields exciting the sample on an unequal footing. To the best of our knowledge, these measurements represent a novel spectroscopic tool that has not previously been described. / text

La présente thèse porte sur les limites de la théorie de la fonctionnelle de la densité et les moyens de surmonter celles-ci. Ces limites sont explorées dans le contexte d'une implémentation traditionnelle utilisant une base d'ondes planes. Dans un premier temps, les limites dans la taille des systèmes pouvant être simulés sont observées. Des méthodes de pointe pour surmonter ces dernières sont ensuite utilisées pour simuler des systèmes de taille nanométrique. En particulier, le greffage de molécules de bromophényle sur les nanotubes de carbone est étudié avec ces méthodes, étant donné l'impact substantiel que pourrait avoir une meilleure compréhension de ce procédé sur l'industrie de l'électronique. Dans un deuxième temps, les limites de précision de la théorie de la fonctionnelle de la densité sont explorées. Tout d'abord, une étude quantitative de l'incertitude de cette méthode pour le couplage électron-phonon est effectuée et révèle que celle-ci est substantiellement plus élevée que celle présumée dans la littérature. L'incertitude sur le couplage électron-phonon est ensuite explorée dans le cadre de la méthode G0W0 et cette dernière se révèle être une alternative substantiellement plus précise. Cette méthode présentant toutefois de sévères limitations dans la taille des systèmes traitables, différents moyens théoriques pour surmonter ces dernières sont développés et présentés dans cette thèse. La performance et la précision accrues de l'implémentation résultante laissent présager de nouvelles possibilités dans l'étude et la conception de certaines catégories de matériaux, dont les supraconducteurs, les polymères utiles en photovoltaïque organique, les semi-conducteurs, etc. / This thesis studies the limitations of density functional theory. These limits are explored in the context of a traditional implementation using a plane waves basis set. First, we investigate the limit of the size of the systems that can be treated. Cutting edge methods that assess these limitations are then used to simulate nanoscale systems. More specifically, the grafting of bromophenyl molecules on the sidewall of carbon nanotubes is studied with these methods, as a better understanding of this procedure could have substantial impact on the electronic industry. Second, the limitations of the precision of density functional theory are explored. We begin with a quantitative study of the uncertainty of this method for the case of electron-phonon coupling calculations and find it to be substantially higher than what is widely presumed in the literature. The uncertainty on electron-phonon coupling calculations is then explored within the G0W0 method, which is found to be a substantially more precise alternative. However, this method has the drawback of being severely limitated in the size of systems that can be computed. In the following, theoretical solutions to overcome these limitations are developed and presented. The increased performance and precision of the resulting implementation opens new possibilities for the study and design of materials, such as superconductors, polymers for organic photovoltaics and semiconductors.

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This thesis considers quantum impurity models that exhibit a quantum phase transition (QPT) between a Fermi liquid strong coupling (SC) phase, and a doubly-degenerate non-Fermi liquid local moment (LM) phase. We focus on what can be said from exact analytic arguments about the LM phase of these models, where the system is characterized by an SU(2) spin degree of freedom in the entire system. Conventional perturbation theory about the non-interacting limit does not hold in the non-Fermi liquid LM phase. We circumvent this problem by reformulating the perturbation theory using a so-called `two self-energy' (TSE) description, where the two self-energies may be expressed as functional derivatives of the Luttinger-Ward functional. One particular paradigmatic model that possesses a QPT between SC and LM phases is the pseudogap Anderson impurity model (PAIM). We use infinite-order perturbation theory in the interaction, U, to self-consistently deduce the exact low-energy forms of both the self-energies and propagators in each of the distinct phases of the model. We analyse the behaviour of the model approaching the QPT from each phase, focusing on the scaling of the zero-field single-particle dynamics using both analytical arguments and detailed numerical renormalization group (NRG) calculations. We also apply two `conserving' approximations to the PAIM. First, second-order self-consistent perturbation theory and second, the fluctuation exchange approximation (FLEX). Within the FLEX approximation we develop a numerical algorithm capable of self-consistently and coherently describing the QPT coming from both distinct phases. Finally, we consider a range of static spin susceptibilities that each probe the underlying QPT in response to coupling to a magnetic field.

La présente thèse porte sur les limites de la théorie de la fonctionnelle de la densité et les moyens de surmonter celles-ci. Ces limites sont explorées dans le contexte d'une implémentation traditionnelle utilisant une base d'ondes planes. Dans un premier temps, les limites dans la taille des systèmes pouvant être simulés sont observées. Des méthodes de pointe pour surmonter ces dernières sont ensuite utilisées pour simuler des systèmes de taille nanométrique. En particulier, le greffage de molécules de bromophényle sur les nanotubes de carbone est étudié avec ces méthodes, étant donné l'impact substantiel que pourrait avoir une meilleure compréhension de ce procédé sur l'industrie de l'électronique. Dans un deuxième temps, les limites de précision de la théorie de la fonctionnelle de la densité sont explorées. Tout d'abord, une étude quantitative de l'incertitude de cette méthode pour le couplage électron-phonon est effectuée et révèle que celle-ci est substantiellement plus élevée que celle présumée dans la littérature. L'incertitude sur le couplage électron-phonon est ensuite explorée dans le cadre de la méthode G0W0 et cette dernière se révèle être une alternative substantiellement plus précise. Cette méthode présentant toutefois de sévères limitations dans la taille des systèmes traitables, différents moyens théoriques pour surmonter ces dernières sont développés et présentés dans cette thèse. La performance et la précision accrues de l'implémentation résultante laissent présager de nouvelles possibilités dans l'étude et la conception de certaines catégories de matériaux, dont les supraconducteurs, les polymères utiles en photovoltaïque organique, les semi-conducteurs, etc. / This thesis studies the limitations of density functional theory. These limits are explored in the context of a traditional implementation using a plane waves basis set. First, we investigate the limit of the size of the systems that can be treated. Cutting edge methods that assess these limitations are then used to simulate nanoscale systems. More specifically, the grafting of bromophenyl molecules on the sidewall of carbon nanotubes is studied with these methods, as a better understanding of this procedure could have substantial impact on the electronic industry. Second, the limitations of the precision of density functional theory are explored. We begin with a quantitative study of the uncertainty of this method for the case of electron-phonon coupling calculations and find it to be substantially higher than what is widely presumed in the literature. The uncertainty on electron-phonon coupling calculations is then explored within the G0W0 method, which is found to be a substantially more precise alternative. However, this method has the drawback of being severely limitated in the size of systems that can be computed. In the following, theoretical solutions to overcome these limitations are developed and presented. The increased performance and precision of the resulting implementation opens new possibilities for the study and design of materials, such as superconductors, polymers for organic photovoltaics and semiconductors.