@phdthesis{Mueller2023,
  author    = {M{\"u}ller, Tobias Leo Christian},
  title     = {Quantum magnetism in three dimensions: Exploring phase diagrams and real materials using Functional Renormalization},
  doi       = {10.25972/OPUS-31394},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-313948},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Magnetism is a phenomenon ubiquitously found in everyday life. Yet, together with superconductivity and superfluidity, it is among the few macroscopically realized quantum states. Although well-understood on a quasi-classical level, its microscopic description is still far from being solved. The interplay of strong interactions present in magnetic condensed-matter systems and the non-trivial commutator structure governing the underlying spin algebra prevents most conventional approaches in solid-state theory to be applied. On the other hand, the quantum limit of magnetic systems is fertile land for the development of exotic phases of matter called spin-liquids. In these states, quantum fluctuations inhibit the formation of magnetic long-range order down to the lowest temperatures. From a theoretical point of view, spin-liquids open up the possibility to study their exotic properties, such as fractionalized excitations and emergent gauge fields. However, despite huge theoretical and experimental efforts, no material realizing spin-liquid properties has been unambiguously identified with a three-dimensional crystal structure. The search for such a realization is hindered by the inherent difficulty even for model calculations. As most numerical techniques are not applicable due to the interaction structure and dimensionality of these systems, a methodological gap has to be filled. In this thesis, to fill this void, we employ the pseudo-fermion functional renormalization group (PFFRG), which provides a scheme to investigate ground state properties of quantum magnetic systems even in three spatial dimensions. We report the status quo of this established method and extend it by alleviating some of its inherent approximations. To this end, we develop a multi-loop formulation of PFFRG, including hitherto neglected terms in the underlying flow equations consistently, rendering the outcome equivalent to a parquet approximation. As a necessary prerequisite, we also significantly improve the numerical accuracy of our implementation of the method by switching to a formulation respecting the asymptotic behavior of the vertex functions as well as employing state-of-the-art numerical algorithms tailored towards PFFRG. The resulting codebase was made publicly accessible in the open-source code PFFRGSolver.jl. We subsequently apply the technique to both model systems and real materials. Augmented by a classical analysis of the respective models, we scan the phase diagram of the three-dimensional body-centered cubic lattice up to third-nearest neighbor coupling and the Pyrochlore lattice up to second-nearest neighbor. In both systems, we uncover in addition to the classically ordered phases, an extended parameter regime, where a quantum paramagnetic phase appears, giving rise to the possibility of a quantum spin liquid. Additionally, we also use the nearest-neighbor antiferromagnet on the Pyrochlore lattice as well as the simple cubic lattice with first- and third-nearest neighbor couplings as a testbed for multi-loop PFFRG, demonstrating, that the inclusion of higher loop orders has quantitative effects in paramagnetic regimes and that the onset of order can be signaled by a lack of loop convergence. Turning towards material realizations, we investigate the diamond lattice compound MnSc\(_2\)S\(_4\), explaining on grounds of ab initio couplings the emergence of a spiral spin liquid at low temperatures, but above the ordering transition. In the Pyrochlore compound Lu\(_2\)Mo\(_2\)O\(_5\)N\(_2\), which is known to not magnetically order down to lowest temperatures, we predict a spin liquid state displaying a characteristic gearwheel pattern in the spin structure factor.},
  subject      = {Heisenberg-Modell},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schwemmer2023,
  author    = {Schwemmer, Tilman},
  title     = {Relativistic corrections of Fermi surface instabilities},
  doi       = {10.25972/OPUS-31964},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-319648},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Relativistic effects crucially influence the fundamental properties of many quantum materials. In the accelerated reference frame of an electron, the electric field of the nuclei is transformed into a magnetic field that couples to the electron spin. The resulting interaction between an electron spin and its orbital angular momentum, known as spin-orbit coupling (SOC), is hence fundamental to the physics of many condensed matter phenomena. It is particularly important quantitatively in low-dimensional quantum systems, where its coexistence with inversion symmetry breaking can lead to a splitting of spin degeneracy and spin momentum locking. Using the paradigm of Landau Fermi liquid theory, the physics of SOC can be adequately incorporated in an effective single particle picture. In a weak coupling approach, electronic correlation effects beyond single particle propagator renormalization can trigger Fermi surface instabilities such as itinerant magnetism, electron nematic phases, superconductivity, or other symmetry broken states of matter. In this thesis, we use a weak coupling-based approach to study the effect of SOC on Fermi surface instabilities and, in particular, superconductivity. This encompasses a weak coupling renormalization group formulation of unconventional superconductivity as well as the random phase approximation. We propose a unified formulation for both of these two-particle Green's function approaches based on the notion of a generalized susceptibility. In the half-Heusler semimetal and superconductor LuPtBi, both SOC and electronic correlation effects are prominent, and thus indispensable for any concise theoretical description. The metallic and weakly dispersive surface states of this material feature spin momentum locked Fermi surfaces, which we propose as a possible domain for the onset of unconventional surface superconductivity. Using our framework for the analysis of Fermi surface instability and combining it with ab-initio density functional theory calculations, we analyse the surface band structure of LuPtBi, and particularly its propensity towards Cooper pair formation. We study how the presence of strong SOC modifies the classification of two-electron wave functions as well as the screening of electron-electron interactions. Assuming an electronic mechanism, we identify a chiral superconducting condensate featuring Majorana edge modes to be energetically favoured over a wide range of model parameters.},
  subject      = {Supraleitung},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kiesel2012,
  author    = {Kiesel, Maximilian Ludwig},
  title     = {Unconventional Superconductivity in Cuprates, Cobaltates and Graphene: What is Universal and what is Material-Dependent in strongly versus weakly Correlated Materials?},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-76421},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Eine allgemeing{\"u}ltige Theorie f{\"u}r alle unterschiedlichen Arten von unkonventionellen Supraleitern ist immer noch eine der ungel{\"o}sten Kernfragen der Festk{\"o}rperphysik. Momentan ist es nicht einmal bewiesen, dass es {\"u}berhaupt einen gemeinsamen grundlegenden Mechanismus gibt, sondern es m{\"u}ssen vielleicht mehrere verschiedene Ursachen f{\"u}r unkonventionelle Supraleitung ber{\"u}cksichtigt werden. Der Einfluss der Elektron-Phonon-Wechselwirkung ist dabei noch nicht abschließend gekl{\"a}rt. In dieser Dissertation wird ein rein elektronischer Paarungsmechanismus untersucht, in welchem die Paarung durch Spin-Fluktuationen vermittelt wird, was nach dem aktuellen Stand der Forschung auf dem Gebiet der unkonventionellen Supraleiter am wahrscheinlichsten ist. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Bestimmung von Material-unabh{\"a}ngigen Eigenschaften der supraleitenden Phase. Diese k{\"o}nnen durch eine Auswahl sehr unterschiedlicher Systeme herausgearbeitet werden. Eine Untersuchung der Phasendiagramme gibt außerdem Auskunft dar{\"u}ber, welche konkurrierenden Quantenfluktuationen den supraleitenden Zustand abschw{\"a}chen oder verst{\"a}rken. F{\"u}r diese Analyse von sehr unterschiedlichen supraleitenden Materialien ist der Einsatz einer einzelnen numerischen L{\"o}sungsmethode unzureichend. F{\"u}r diese Dissertation ist dies aber kein Nachteil, sondern vielmehr ein großer Vorteil, da der Einsatz verschiedener Techniken die Abh{\"a}ngigkeit der Ergebnisse von der verwendeten Numerik reduziert und dadurch der grundlegende Mechanismus besser untersucht werden kann. Im speziellen werden in dieser Dissertation die Kuprate mit der Variationellen Clustern{\"a}herung ausgewertet, weil die Elektronen hier eine starke Wechselwirkung untereinander besitzen. Besonders die Frage eines m{\"o}glichen Klebstoffs f{\"u}r die Cooper-Paare wird ausf{\"u}hrlich diskutiert, auch mit einer Unterscheidung in retardierte und nicht-retardierte Betr{\"a}ge. Den Kupraten werden das Kobaltat NaCoO sowie Graphen gegen{\"u}bergestellt. Diese Materialien sind jedoch schwach korrelierte Systeme, so dass hier die Funkionelle Renormierungsgruppe als numerisches Grundger{\"u}st dient. Die Ergebnisse sind reichhaltige Phasendiagramme mit vielen verschiedenen langreichweitigen Ordnungen, wie zum Beispiel d+id-wellenartige Supraleitung. Diese bricht die Zeitumkehr-Symmetrie und besitzt eine vollst{\"a}ndige Bandl{\"u}cke, welche im Falle von NaCoO jedoch eine stark Dotierungs-abh{\"a}ngige Anisotropie aufweist. Als letztes wird das Kagome-Gitter allgemein diskutiert, ohne ein konkretes Material zu beschreiben. Hier hat eine destruktive Interferenz zwischen den Elektronen auf verschiedenen Untergittern drastische Auswirkungen auf die Instabilit{\"a}ten der Fermi-Fl{\"a}che, so dass die {\"u}bliche Spin-Dichte-Welle und die damit verbundene d+id-wellenartige Supraleitung unterdr{\"u}ckt werden. Dadurch treten ungew{\"o}hnliche Spin- und Ladungsdichte-Ordnungen sowie eine nematische Pomeranchuck Instabilit{\"a}t hervor. Zusammengefasst bietet diese Dissertation einen Einblick in unterschiedliche Materialklassen von unkonventionellen Supraleitern. Dadurch wird es m{\"o}glich, die Material-spezifischen Eigenschaften von den universellen zu trennen.},
  subject      = {Supraleitung},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Platt2012,
  author    = {Platt, Christian},
  title     = {A Common Thread in Unconventional Superconductivity: The Functional Renormalization Group in Multi-Band Systems},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-78824},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Die supraleitenden Eigenschaften von komplexen Materialsystemen, wie den erst k{\"u}rzlich entdeckten Eisen-Pniktiden oder den Strontium-Ruthenaten, sind oftmals durch das Zusammenspiel vieler elektronischer Orbitale bestimmt. Um die Supraleitung in derartigen Systemen besser zu verstehen, entwickeln wir in dieser Arbeit eine Multi-Orbital-Implementierung der funktionalen Renormierungsgruppe und untersuchen die Elektronenpaarung in verschiedenen charakteristischen Materialverbindungen. In den Eisen-Pniktiden finden wir hierbei mehrere Spinfluktuationskan{\"a}le, die eine Elektronenpaarung hervorrufen, sofern die Paarwellenfunktion einen Vorzeichenwechsel zwischen den verschiedenen genesteten Bereichen der Fermifl{\"a}che aufweist. Abh{\"a}ngig von den spezifischen Materialeigenschaften, wie der Dotierung oder der Position des Pniktogenatoms, f{\"u}hren diese Spinfluktuationen dann zu \$s_{\pm}\$-wellenartiger Paarung mit durchg{\"a}ngiger Energiel{\"u}cke oder mit Knoten auf der Fermifl{\"a}che. In manchen F{\"a}llen wird zudem auch \$d\$-wellenartige Paarung induziert, die in der N{\"a}he des {\"U}bergangs zur \$s_{\pm}\$-Symmetrie einen gemischten \$(s+id)\$-Zustand mit gebrochener Zeitinversionssymmetrie aufweist. Diese neuartige Phase zeigt faszinierende Eigenschaften, wie zum Beispiel das spontane Entstehen von Suprastr{\"o}men am Probenrand und um nichtmagnetische St{\"o}rstellen. Auf Grund der durchg{\"a}ngigen Energiel{\"u}cke ist dieser \$(s+id)\$-Zustand energetisch beg{\"u}nstigt. Im Folgenden untersuchen wir zudem auch die elektronischen Instabilit{\"a}ten eines weiteren außergew{\"o}hnlichen Materials -- dotiertes Graphen. Diese rein zweidimensionale Kohlenstoffverbindung ist schon seit mehreren Jahren im Fokus der Festk{\"o}rperforschung und wurde mittlerweile auch durch neuartige experimentelle Verfahren dotiert, ohne die zugrundeliegende hexagonale Gittersturktur merklich zu st{\"o}ren. Eine theoretische Beschreibung dieses Systems erfordert die Ber{\"u}cksichtigung zweier nicht-equivalenter Gitterpl{\"a}tze, was wiederum effektiv als Zwei-Orbital-System aufgefasst werden kann. Durch die besondere Symmetrie der hexagonalen Gitterstruktur sind beide \$d\$-wellenartigen Paarungskan{\"a}le entartet und ahnlich der \$(s+id)\$-Paarung in den Pniktiden finden wir hier eine chirale \$(d+id)\$-Paarung in einem weiten Dotierungsbereich um van-Hove F{\"u}llung. Des Weiteren identifizieren wir Spin-Triplet-Paarung und eine exotische Form der Spindichtewelle, welche beide durch leichte Ver{\"a}nderung der langreichweitigen H{\"u}pfamplituden und Wechselwirkungensparameter realisiert werden k{\"o}nnen. Als drittes Beispiel betrachten wir die Supraleitung in dem Strontium-Ruthenat Sr\$_2\$RuO\$_4\$. Die Besonderheit dieser Materialverbindung liegt in der m{\"o}glichen Realisierung einer chiralen Spin-Triplet Paarung, die wiederum faszinierende Eigenschaften wie die Existenz von halbganzzahligen Flussvortizes mit nicht-Abelscher Vertauschungsstatistik aufweisen w{\"u}rde. Mittels eines mikroskopischen Drei-Orbital-Modells und der Ber{\"u}cksichtigung von Spin-Bahn-Kopplung finden wir hierbei, dass moderate ferromagnetische Spinfluktuationen immer noch ausreichen, um diesen speziellen Paarungszustand anzutreiben. Die berechnete Energiel{\"u}cke zeigt im Weiteren sehr starke Anisotropien auf dem \$d_{xy}\$-Orbital-dominierten Bereich der Fermifl{\"a}che und verschwindet nahezu vollst{\"a}ndig auf den anderen beiden Fermifl{\"a}chen.},
  subject      = {Supraleitung},
  language  = {en}
}