Universität zu Köln

Gerlach, Max Henner (2017). Quantum Monte Carlo studies of a metallic spin-density wave transition. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Plenty experimental evidence indicates that quantum critical phenomena give rise to much of the rich physics observed in strongly correlated itinerant electron systems such as the high temperature superconductors. A quantum critical point of particular interest is found at the zero-temperature onset of spin-density wave order in two- dimensional metals. The appropriate low-energy theory poses an exceptionally hard problem to analytic theory, therefore the unbiased and controlled numerical approach pursued in this thesis provides important contributions on the road to comprehensive understanding. After discussing the phenomenology of quantum criticality, a sign- problem-free determinantal quantum Monte Carlo approach is introduced and an extensive toolbox of numerical methods is described in a self-contained way. By the means of large-scale computer simulations we have solved a lattice realization of the universal effective theory of interest. The finite-temperature phase diagram, showing both a quasi-long-range spin-density wave ordered phase and a d-wave superconducting dome, is discussed in its entirety. Close to the quantum phase transition we find evidence for unusual scaling of the order parameter correlations and for non-Fermi liquid behavior at isolated hot spots on the Fermi surface.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Zahlreiche experimentelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass quantenkritische Phänomene der Auslöser für einen Großteil der reichhaltigen Physik sind, die man in Hochtemperatursupraleitern und anderen stark korrelierten Systemen beweglicher Elektronen beobachtet. Ein besonders interessanter quantenkritischer Punkt findet sich in zweidimensionalen Metallen am Übergang zu antiferromagnetischer Spindichtewellen-Ordnung am absoluten Temperatur-Nullpunkt. Die zugehörige Niedrigenergie-Theorie ist mit analytischen, theoretischen Methoden sehr schwer zu lösen, so dass ein umfassendes Verständnis bisher nicht erreicht werden konnte. In dieser Dissertation wird als komplementärer Zugang ein numerischer Ansatz verfolgt, mit dem wichtige Beiträge geliefert werden können, weil alle Rechnungen gut unter Kontrolle zu halten sind und keine händisch gesetzten Ansätze die Ergebnisse in bestimmte Richtungen drängen. Nach der Besprechung der Phänomenologie von Quantenkritikalität wird ein vorzeichenproblemfreies Determinanten-Quanten-Monte-Carlo-Verfahren eingeführt und ein umfassender Satz numerischer Methoden beschrieben. Dieser Methodenteil kann weitgehend für sich stehen. Mittels groß angelegter Computersimulationen haben wir eine Gitterrealisierung der universellen effektiven Theorie dieses Problems gelöst. Das Phasendiagramm bei endlicher Temperatur beschreiben wir in seiner Gänze. Es weist sowohl eine quasi-langreichweitig geordnete Spindichtwellen-Phase als auch eine d-Wellen-supraleitende Phase auf. In der Nähe des Quantenphasenübergangs können wir Nachweise für ein ungewöhnliches Skalenverhalten der Ordnungsparameterkorrelationen und für fermionische Eigenschaften, die an isolierten Punkten der Fermi-Fläche nicht den Erwartungen nach Landaus Theorie der Fermi-Flüssigkeiten entsprechen, finden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Gerlach, Max Henner m@maxgerlach.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-74034
Date:	2017
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language theoretical physics, computational physics, condensed matter physics, solid state physics, quantum Monte Carlo simulation, strongly correlated electrons, itinerant electron systems, spin-density wave order, unconventional superconductivity, quantum criticality English
Date of oral exam:	20 January 2017
Referee:	Name Academic Title Trebst, Simon Prof. Dr. Rosch, Achim Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7403