This work presents a numerical investigation of self-avoiding walks (SAWs) on percolation clusters, a canonical model for polymers in disordered media. A new algorithm has been developed allowing exact enumeration of over ten thousand steps. This is an increase of several orders of magnitude compared to previously existing enumeration methods, which allow for barely more than forty steps. Such an increase is achieved by exploiting the fractal structure of critical percolation clusters: they are hierarchically organized into a tree of loosely connected nested regions in which the walks segments are enumerated separately. After the enumeration process, a region is \"decimated\" and behaves in the following effectively as a single point. Since this method only works efficiently near the percolation threshold, a chain-growth Monte Carlo algorithm has also been used.
Main focus of the investigations was the asymptotic scaling behavior of the average end-to-end distance as function of the number of steps on critical clusters in different dimensions. Thanks the highly efficient new method, existing estimates of the scaling exponents could be improved substantially. Also investigated were the number of possible chain conformation and the average entropy, which were found to follow an unusual scaling behavior. For concentrations above the percolation threshold the exponent describing the growth of the end-to-end distance turned out to differ from that on regular lattices, defying the prediction of the accepted theory. Finally, SAWs with short range attractions on percolation clusters are discussed. Here, it emerged that there seems to be no temperature-driven collapse transition as the asymptotic scaling behavior of the end-to-end distance even at zero temperature is the same as for athermal SAWs. / Die vorliegenden Arbeit präsentiert eine numerische Studie von selbstvermeidenden
Zufallswegen (SAWs) auf Perkolationsclustern, ein kanonisches Modell für Polymere in stark ungeordneten Medien. Hierfür wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, welcher es ermöglicht SAWs von mehr als zehntausend Schritten exakt auszuzählen. Dies bedeutet eine Steigerung von mehreren Größenordnungen gegenüber der zuvor existierenden Methode, welche kaum mehr als vierzig Schritte zulässt. Solch eine Steigerung wird erreicht, indem die fraktale Struktur der Perkolationscluster geziehlt ausgenutzt wird: Die Cluster werden hierarchisch in lose verbundene Gebiete unterteilt, innerhalb welcher Wegstücke separat ausgezählt werden können. Nach dem Auszählen wird ein Gebiet \"dezimiert\" und verhält sich während der Behandlung größerer Gebiete effektiv wie ein Gitterpunkt. Da diese neue Methode nur nahe der Perkolationsschwelle funktioniert, wurde zum Erzielen der Ergebnisse zudem ein Kettenwachstums-Monte-Carlo-Algorithmus (PERM) eingesetzt.
Untersucht wurde zunächst das asymptotische Skalenverhalten des Abstands der beiden Kettenenden als Funktion der Schrittzahl auf kritischen Clustern in verschiedenen Dimensionen. Dank der neuen hochperformanten Methode konnten die bisherigen Schätzer für den dies beschreibenden Exponenten signifikant verbessert werden. Neben dem Abstand wurde zudem die Anzahl der möglichen Konformationen und die mittlere Entropie angeschaut, für welche ein ungewöhnliches Skalenverhalten gefunden wurde.
Für Konzentrationen oberhalb der Perkolationsschwelle wurde festgestellt, dass der Exponent, welcher das Wachstum des Endabstands beschreibt, nicht dem für freie SAWs entspricht, was nach gängiger Lehrmeinung der Fall sein sollte. Schlussendlich wurden SAWs mit Anziehung zwischen benachbarten Monomeren untersucht. Hier zeigte sich, dass es auf kritischen Perkolationsclustern keinen Phasenübergang zu geben scheint, an welchem die Ketten kollabieren, sondern dass das Skalenverhalten des Endabstands selbst am absoluten Nullpunkt der Temperatur unverändert ist.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:15-qucosa-204707 |
| Date | 15 June 2016 |
| Creators | Fricke, Niklas |
| Contributors | Universität Leipzig, Institut für Theoretische Physik, Prof. Dr. Wolfhard Janke, Prof. Dr. Wolfhard Janke, Prof. Dr. Kurt Kremer |
| Publisher | Universitätsbibliothek Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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