TY - JOUR A1 - Fleszar, Andrzej A1 - Hanke, Werner T1 - Two-dimensional metallicity with a large spin-orbit splitting: DFT calculations of the atomic, electronic, and spin structures of the Au/Ge(111)-(√3 x √3)R30° surface JF - Advances in Condensed Matter Physics N2 - Density functional theory (DFT) is applied to study the atomic, electronic, and spin structures of the Au monolayer at the Ge(111) surface. It is found that the theoretically determined most stable atomic geometry is described by the conjugated honeycomb-chained-trimer (CHCT) model, in a very good agreement with experimental data. The calculated electronic structure of the system, being in qualitatively good agreement with the photoemission measurements, shows fingerprints of the many-body effects (self-interaction corrections) beyond the LDA or GGA approximations. The most interesting property of this surface system is the large spin splitting of its metallic surface bands and the undulating spin texture along the hexagonal Fermi contours, which highly resembles the spin texture at the Dirac state of the topological insulator Bi\(_{2}\)Te\(_{3}\). These properties make this system particularly interesting from both fundamental and technological points of view. KW - topological insulators KW - gas KW - density functional theory KW - conjugated honeycomb-chained-trimer KW - spin structures KW - Au/Ge(111) Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-149221 VL - 2015 IS - 531498 ER - TY - JOUR A1 - Li, Gang A1 - Yan, Binghai A1 - Thomale, Ronny A1 - Hanke, Werner T1 - Topological nature and the multiple Dirac cones hidden in Bismuth high-Tc superconductors JF - Scientific Reports N2 - Recent theoretical studies employing density-functional theory have predicted BaBiO\(_{3}\) (when doped with electrons) and YBiO\(_{3}\) to become a topological insulator (TI) with a large topological gap (~0.7 eV). This, together with the natural stability against surface oxidation, makes the Bismuth-Oxide family of special interest for possible applications in quantum information and spintronics. The central question, we study here, is whether the hole-doped Bismuth Oxides, i.e. Ba\(_{1-X}\)K\(_{X}\)BiO\(_{3}\) and BaPb\(_{1-X}\)Bi\(_{X}\)O\(_{3}\), which are "high-Tc" bulk superconducting near 30 K, additionally display in the further vicinity of their Fermi energy E\(_{F}\) a topological gap with a Dirac-type of topological surface state. Our electronic structure calculations predict the K-doped family to emerge as a TI, with a topological gap above E\(_{F}\). Thus, these compounds can become superconductors with hole-doping and potential TIs with additional electron doping. Furthermore, we predict the Bismuth-Oxide family to contain an additional Dirac cone below E\(_{F}\) for further hole doping, which manifests these systems to be candidates for both electron-and hole-doped topological insulators. KW - localized wannier functions KW - total energy calculations KW - phase transitions KW - insulator KW - BaPb\(_{1-X}\)Bi\(_{X}\)O\(_{3}\) KW - temperature KW - system KW - wave basis set KW - initio molecular dynamics KW - diffraction Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-148569 VL - 5 IS - 10435 ER - TY - JOUR A1 - Um, Jaegon A1 - Hinrichsen, Haye A1 - Kwon, Chulan A1 - Park, Hyunggyu T1 - Total cost of operating an information engine JF - New Journal of Physics N2 - We study a two-level system controlled in a discrete feedback loop, modeling both the system and the controller in terms of stochastic Markov processes. We find that the extracted work, which is known to be bounded from above by the mutual information acquired during measurement, has to be compensated by an additional energy supply during the measurement process itself, which is bounded by the same mutual information from below. Our results confirm that the total cost of operating an information engine is in full agreement with the conventional second law of thermodynamics. We also consider the efficiency of the information engine as a function of the cycle time and discuss the operating condition for maximal power generation. Moreover, we find that the entropy production of our information engine is maximal for maximal efficiency, in sharp contrast to conventional reversible heat engines. KW - wrath KW - information engine KW - mutual information KW - fluctuation theorem KW - Maxwell demon KW - Szilárd KW - efficiency KW - maximum power Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-148286 VL - 17 IS - 085001 ER - TY - JOUR A1 - Elster, Lars A1 - Platt, Christian A1 - Thomale, Ronny A1 - Hanke, Werner A1 - Hankiewicz, Ewelina M. T1 - Accessing topological superconductivity via a combined STM and renormalization group analysis JF - Nature Communications N2 - The search for topological superconductors has recently become a key issue in condensed matter physics, because of their possible relevance to provide a platform for Majorana bound states, non-Abelian statistics, and quantum computing. Here we propose a new scheme which links as directly as possible the experimental search to a material-based microscopic theory for topological superconductivity. For this, the analysis of scanning tunnelling microscopy, which typically uses a phenomenological ansatz for the superconductor gap functions, is elevated to a theory, where a multi-orbital functional renormalization group analysis allows for an unbiased microscopic determination of the material-dependent pairing potentials. The combined approach is highlighted for paradigmatic hexagonal systems, such as doped graphene and water-intercalated sodium cobaltates, where lattice symmetry and electronic correlations yield a propensity for a chiral singlet topological superconductor. We demonstrate that our microscopic material-oriented procedure is necessary to uniquely resolve a topological superconductor state. KW - tunneling spectroscopy KW - Sr\(_2\)RuO\(_4\) KW - states KW - transition KW - insulators KW - surface KW - Majorana fermions KW - unconventional superconductivity KW - wave superconductors Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-148181 VL - 6 IS - 8232 ER - TY - JOUR A1 - Lee, Ching Hua A1 - Papić, Zlatko A1 - Thomale, Ronny T1 - Geometric construction of quantum Hall clustering Hamiltonians JF - Physical Review X N2 - Many fractional quantum Hall wave functions are known to be unique highest-density zero modes of certain "pseudopotential" Hamiltonians. While a systematic method to construct such parent Hamiltonians has been available for the infinite plane and sphere geometries, the generalization to manifolds where relative angular momentum is not an exact quantum number, i.e., the cylinder or torus, remains an open problem. This is particularly true for non-Abelian states, such as the Read-Rezayi series (in particular, the Moore-Read and Read-Rezayi Z\(_3\) states) and more exotic nonunitary (Haldane-Rezayi and Gaffnian) or irrational (Haffnian) states, whose parent Hamiltonians involve complicated many-body interactions. Here, we develop a universal geometric approach for constructing pseudopotential Hamiltonians that is applicable to all geometries. Our method straightforwardly generalizes to the multicomponent SU(n) cases with a combination of spin or pseudospin (layer, subband, or valley) degrees of freedom. We demonstrate the utility of our approach through several examples, some of which involve non-Abelian multicomponent states whose parent Hamiltonians were previously unknown, and we verify the results by numerically computing their entanglement properties. KW - wave functions KW - Landau level KW - states KW - excitations KW - fluid Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-145233 VL - 5 IS - 4 ER - TY - JOUR T1 - Measurement of the production of neighbouring jets in lead–lead collisions at =2.76 TeV with the ATLAS detector JF - Physics Letters B N2 - This Letter presents measurements of correlated production of nearby jets in Pb+Pb collisions at \(\sqrt S_{NN}\)=2.76 TeV using the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The measurement was performed using 0.14 nb\(^{-1}\) of data recorded in 2011. The production of correlated jet pairs was quantified using the rate, R\(_{ΔR}\), of “neighbouring” jets that accompany “test” jets within a given range of angular distance, ΔR , in the pseudorapidity–azimuthal angle plane. The jets were measured in the ATLAS calorimeter and were reconstructed using the anti-k\(_t\) algorithm with radius parameters d=0.2, 0.3, and 0.4. R\(_{ΔR}\) was measured in different Pb+Pb collision centrality bins, characterized by the total transverse energy measured in the forward calorimeters. A centrality dependence of R\(_{ΔR}\) is observed for all three jet radii with R\(_{ΔR}\) found to be lower in central collisions than in peripheral collisions. The ratios formed by the R\(_{ΔR}\) values in different centrality bins and the values in the 40–80% centrality bin are presented. KW - physics Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150448 VL - 751 SP - 376 EP - 395 ER - TY - THES A1 - Lewandowska, Natalia Ewelina T1 - A Correlation Study of Radio Giant Pulses and Very High Energy Photons from the Crab Pulsar T1 - Eine Korrelationsstudie zwischen Riesenpulsen im Radiobereich und Photonen im Gammabereich vom Pulsar im Krebsnebel N2 - Pulsars (in short for Pulsating Stars) are magnetized, fast rotating neutron stars. The basic picture of a pulsar describes it as a neutron star which has a rotation axis that is not aligned with its magnetic field axis. The emission is assumed to be generated near the magnetic poles of the neutron star and emitted along the open magnetic field lines. Consequently, the corresponding beam of photons is emitted along the magnetic field line axis. The non-alignment of both, the rotation and the magnetic field axis, results in the effect that the emission of the pulsar is only seen if its beam points towards the observer. The emission from a pulsar is therefore perceived as being pulsed although its generation is not. This rather simple geometrical model is commonly referred to as Lighthouse Model and has been widely accepted. However, it does not deliver an explanation of the precise mechanisms behind the emission from pulsars (see below for more details). Nowadays more than 2000 pulsars are known. They are observed at various wavelengths. Multiwavelength studies have shown that some pulsars are visible only at certain wavelengths while the emission from others can be observed throughout large parts of the electromagnetic spectrum. An example of the latter case is the Crab pulsar which is also the main object of interest in this thesis. Originating from a supernova explosion observed in 1054 A.D. and discovered in 1968, the Crab pulsar has been the central subject of numerous studies. Its pulsed emission is visible throughout the whole electromagnetic spectrum which makes it a key figure in understanding the possible mechanisms of multiwavelength emission from pulsars. The Crab pulsar is also well known for its radio emission strongly varying on long as well as on short time scales. While long time scale behaviour from a pulsar is usually examined through the use of its average profile (a profile resulting from averaging of a large number of individual pulses resulting from single rotations), short time scale behaviour is examined via its single pulses. The short time scale anomalous behaviour of its radio emission is commonly referred to as Giant Pulses and represents the central topic of this thesis. While current theoretical approaches place the origin of the radio emission from a pulsar like the Crab near its magnetic poles (Polar Cap Model) as already indicated by the Lighthouse model, its emission at higher frequencies, especially its gamma-ray emission, is assumed to originate further away in the geometrical region surrounding a pulsar which is commonly referred to as a pulsar magnetosphere (Outer Gap Model). Consequently, the respective emission regions are usually assumed not to be connected. However, past observational results from the Crab pulsar represent a contradiction to this assumption. Radio giant pulses from the Crab pulsar have been observed to emit large amounts of energy on very short time scales implying small emission regions on the surface of the pulsar. Such energetic events might also leave a trace in the gamma-ray emission of the Crab pulsar. The aim of this thesis is to search for this connection in the form of a correlation study between radio giant pulses and gamma-photons from the Crab pulsar. To make such a study possible, a multiwavelength observational campaign was organized for which radio observations were independently applied for, coordinated and carried out with the Effelsberg radio telescope and the Westerbork Synthesis Radio Telescope and gamma-ray observations with the Major Atmospheric Imaging Cherenkov telescopes. The corresponding radio and gamma-ray data sets were reduced and the correlation analysis thereafter consisted of three different approaches: 1) The search for a clustering in the differences of the times of arrival of radio giant pulses and gamma-photons; 2) The search for a linear correlation between radio giant pulses and gamma-photons using the Pearson correlation approach; 3) A search for an increase of the gamma-ray flux around occurring radio giant pulses. In the last part of the correlation study an increase of the number of gamma-photons centered on a radio giant pulse by about 17% (in contrast with the number of gamma-photons when no radio giant pulse occurs in the same time window) was discovered. This finding suggests that a new theoretical approach for the emission of young pulsars like the Crab pulsar, is necessary. N2 - Pulsare (Kurzform von Pulsating Stars) sind stark magnetisierte, rotierende Neutronensterne. Nach dem Standardmodell ist ein Pulsar ein Neutronenstern mit einer Rotationsachse, die nicht entlang der Achse seines Magnetfelds ausgerichtet ist. Es wird angenommen, dass die Pulsarstrahlung in der Nähe der Pole des Neutronensterns an offenen Magnetfeldlinien entsteht. Der dadurch entstehende Photonenstrahl wird entlang der Magnetfeldachse emittiert. Die unterschiedlichen Ausrichtungen der Rotations- und Magnetfeldachse führen dazu, dass die Strahlung des Pulsars von einem Beobachter nur wahrgenommen wird, wenn der Photonenstrahl die Sichtlinie des Beobachters überstreicht. Durch diesen Effekt wird beim Beobachter der Anschein erweckt die Pulsarstrahlung sei gepulst, obwohl sie kontinuerlich produziert wird. Dieses vereinfachte geometrische Model, in der Literatur oftmals als Leuchtturm Modell bezeichnet, ist heutzutage weitestgehend akzeptiert. Es liefert dennoch keine Erklärung für die genaue Entstehung der Pulsarstrahlung (siehe weiter unten). Heutzutage sind mehr als 2000 Pulsare bekannt und werden mittlerweile nicht nur bei Radiowellenlängen untersucht. Multiwellenlängenstudien haben zu der Entdeckung geführt, dass einige Pulsar nur in bestimmten Wellenlängenbereichen sichtbar sind, während die Strahlung von anderen Pulsaren in weiten Teilen des elektromagnetischen Spektrums nachgewiesen werden kann. Ein Beispiel für letzteren Fall ist der Crab Pulsar, das Objekt das die vorliegende Arbeit hauptsächlich betrachtet. Entstanden in einer Supernova, die im Jahre 1054 n.Chr. beobachtet wurde, wurde er 1968 als stellarer Überrest dieser Explosion entdeckt und seitdem im Rahmen zahlreicher Studien untersucht. Seine gepulste Strahlung kann im gesamten elektromagnetischen Spektrum nachgewiesen werden. Diese Eigenschaft macht ihn zu einem Schlüsselobjekt für die Erforschung möglicher Emissionsmechanismen der Strahlung von Pulsaren. Eine weitere Besonderheit des Crab Pulsars liegt auch in dem anomalen Verhalten seiner Radiostrahlung auf kurzen Zeitskalen. Während das Langzeitverhalten eines Pulsars mittels seines mittleren Pulsprofiles (eines Profils resultierend aus der Mittelung vieler Einzelpulse aus einzelnen Rotationen) untersucht wird, wird das Kurzzeitverhalten mittels einzelner Pulse untersucht. Als anomales Verhalten der Radiostrahlung des Crab Pulsars auf diesen kurzen Zeitskalen sind die sogenannten Riesenpulse (Giant Pulses) von Interesse. Einzelpulse dieser Art sind der zentrale zu untersuchende Aspekt der vorliegenden Arbeit. Gängige theoretische Modelle gehen davon aus, dass die Radiostrahlung eines Pulsars in der Nähe der Pole entsteht (Polar Cap Model), wie zuvor vom Leuchtturm Model impliziert wurde, während die hochfrequente Strahlung, wie z.B. die gamma-Strahlung, weiter außen in der Magnetosphäre, die den Pulsar umgibt, entsteht (Outer Gap Model). Ausgehend von diesen beiden theoretischen Ansätzen, wird angenommen, dass die entsprechenden Entstehungsregionen nicht miteinander verbunden sind. Die bisherigen Beobachtungen des Crab Pulsars widersprechen jedoch dieser Annahme. Untersuchungen der Riesenpulse des Crab Pulsars im Radiobereich haben ergeben, dass diese Einzelpulse große Energiemengen binnen sehr kurzen Zeitskalen freisetzen. Dieses Phänomen deutet auf sehr kleine Emissionsregionen auf der Oberfläche des Pulsars hin. Eine Freisetzung dieser Energiemengen könnte auch Spuren im Bereich der hochenergetischen gamma-Strahlung hinterlassen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher eine Untersuchung einer möglichen Verbindung zwischen den Radiopulsen des Crab Pulsars im Radiobereich und seiner gamma-Strahlung in der Form einer Korrelationsstudie. Um eine solche Studie zu ermöglichen, wurde eine Multiwellenlängen Beobachtungskampagne organisiert. Im Rahmen dieser Kampagne wurden selbstständig Radiobeobachtungen am Effelsberger Radioteleskop und am Westerbork Synthesis Radio Telescope und gamma-Beobachtungen an den Major Atmospheric Imaging Cherenkov Teleskopen erfolgreich beantragt, koordiniert und (teilweise selbstständig vor Ort) ausgeführt. Die daraus entstehenden Datensätze wurden entsprechend bearbeitet und in der resultierenden Korrelationsanalyse wurden die folgenden Aspekte untersucht: 1) Eine Anhäufung in den Ankunftszeiten von Riesenpulsen und gamma-Photonen; 2) Eine Suche nach einer linearen Korrelation zwischen Riesenpulsen und gamma-Photonen mittels der Pearson Korrelation; 3) Eine Suche nach einer Erhöhung des Flusses von gamma-Photonen in der zeitlichen Umgebung eines Riesenpulses im Radiobereich. Im letzten Teil der Analyse konnte eine Erhöhung der Anzahl von gamma-Photonen, die zeitlich auf einem Riesenpuls zentriert sind, von ungefähr 17% (im Vergleich zu der entsprechenden Anzahl im gleichen Zeitfenster, wenn kein Riesenpuls vorhanden ist) nachgewiesen werden. Dieses Ergebnis gibt einen wichtigen Impuls für die Überarbeitung der bereits vorhandenen Emissionsmodelle von jungen Pulsaren wie dem Crab Pulsar. KW - Pulsar KW - Crab-Nebel KW - Gammaastronomie KW - Radioastronomie KW - crab pulsar KW - giant pulses KW - neutron star KW - correlation KW - radio astronomy KW - gamma astronomy KW - Radiofrequenzstrahlung KW - Gammastrahlenastronomie KW - Korrelation Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123533 ER - TY - JOUR A1 - Schottdorf, Manuel A1 - Keil, Wolfgang A1 - Coppola, David A1 - White, Leonard E. A1 - Wolf, Fred T1 - Random Wiring, Ganglion Cell Mosaics, and the Functional Architecture of the Visual Cortex JF - PLoS Computational Biology N2 - The architecture of iso-orientation domains in the primary visual cortex (V1) of placental carnivores and primates apparently follows species invariant quantitative laws. Dynamical optimization models assuming that neurons coordinate their stimulus preferences throughout cortical circuits linking millions of cells specifically predict these invariants. This might indicate that V1's intrinsic connectome and its functional architecture adhere to a single optimization principle with high precision and robustness. To validate this hypothesis, it is critical to closely examine the quantitative predictions of alternative candidate theories. Random feedforward wiring within the retino-cortical pathway represents a conceptually appealing alternative to dynamical circuit optimization because random dimension-expanding projections are believed to generically exhibit computationally favorable properties for stimulus representations. Here, we ask whether the quantitative invariants of V1 architecture can be explained as a generic emergent property of random wiring. We generalize and examine the stochastic wiring model proposed by Ringach and coworkers, in which iso-orientation domains in the visual cortex arise through random feedforward connections between semi-regular mosaics of retinal ganglion cells (RGCs) and visual cortical neurons. We derive closed-form expressions for cortical receptive fields and domain layouts predicted by the model for perfectly hexagonal RGC mosaics. Including spatial disorder in the RGC positions considerably changes the domain layout properties as a function of disorder parameters such as position scatter and its correlations across the retina. However, independent of parameter choice, we find that the model predictions substantially deviate from the layout laws of iso-orientation domains observed experimentally. Considering random wiring with the currently most realistic model of RGC mosaic layouts, a pairwise interacting point process, the predicted layouts remain distinct from experimental observations and resemble Gaussian random fields. We conclude that V1 layout invariants are specific quantitative signatures of visual cortical optimization, which cannot be explained by generic random feedforward-wiring models. KW - placental mammal KW - simple receptive-fields KW - ocular dominance columns KW - lateral geniculate-nucleus KW - direction selectivity KW - tree shrew KW - orientation columns KW - K-PG radiation KW - monkey striate cortex KW - ancestor KW - cortical magnification factor Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-138879 VL - 11 IS - 11 ER - TY - JOUR A1 - Rousochatzakis, Ioannis A1 - Reuther, Johannes A1 - Thomale, Ronny A1 - Rachel, Stephan A1 - Perkins, N. B. T1 - Phase Diagram and Quantum Order by Disorder in the Kitaev K\(_1\) - K\(_2\) Honeycomb Magnet JF - Physical Review X N2 - We show that the topological Kitaev spin liquid on the honeycomb lattice is extremely fragile against the second-neighbor Kitaev coupling K\(_2\), which has recently been shown to be the dominant perturbation away from the nearest-neighbor model in iridate Na\(_2\)IrO\(_3\), and may also play a role in \(\alpha\)-RuCl\(_3\) and Li\(_2\)IrO\(_3\). This coupling naturally explains the zigzag ordering (without introducing unrealistically large longer-range Heisenberg exchange terms) and the special entanglement between real and spin space observed recently in Na\(_2\)IrO\(_3\). Moreover, the minimal K\(_1\) - K\(_2\) model that we present here holds the unique property that the classical and quantum phase diagrams and their respective order-by-disorder mechanisms are qualitatively different due to the fundamentally different symmetries of the classical and quantum counterparts. KW - model KW - anyons KW - lattice KW - confinement-deconfinement transition Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-137235 VL - 5 IS - 041035 ER - TY - THES A1 - Reinthaler, Rolf Walter T1 - Charge and Spin Transport in Topological Insulator Heterojunctions T1 - Ladungs- und Spintransport in Topologischen Isolator Heterojunctions N2 - Over the last decade, the field of topological insulators has become one of the most vivid areas in solid state physics. This novel class of materials is characterized by an insulating bulk gap, which, in two-dimensional, time-reversal symmetric systems, is closed by helical edge states. The latter make topological insulators promising candidates for applications in high fidelity spintronics and topological quantum computing. This thesis contributes to bringing these fascinating concepts to life by analyzing transport through heterostructures formed by two-dimensional topological insulators in contact with metals or superconductors. To this end, analytical and numerical calculations are employed. Especially, a generalized wave matching approach is used to describe the edge and bulk states in finite size tunneling junctions on the same footing. The numerical study of non-superconducting systems focuses on two-terminal metal/topological insulator/metal junctions. Unexpectedly, the conductance signals originating from the bulk and the edge contributions are not additive. While for a long junction, the transport is determined purely by edge states, for a short junction, the conductance signal is built from both bulk and edge states in a ratio, which depends on the width of the sample. Further, short junctions show a non-monotonic conductance as a function of the sample length, which distinguishes the topologically non-trivial regime from the trivial one. Surprisingly, the non-monotonic conductance of the topological insulator can be traced to the formation of an effectively propagating solution, which is robust against scalar disorder. The analysis of the competition of edge and bulk contributions in nanostructures is extended to transport through topological insulator/superconductor/topological insulator tunneling junctions. If the dimensions of the superconductor are small enough, its evanescent bulk modes can couple edge states at opposite sample borders, generating significant and tunable crossed Andreev reflection. In experiments, the latter process is normally disguised by simultaneous electron transmission. However, the helical edge states enforce a spatial separation of both competing processes for each Kramers’ partner, allowing to propose an all-electrical measurement of crossed Andreev reflection. Further, an analytical study of the hybrid system of helical edge states and conventional superconductors in finite magnetic fields leads to the novel superconducting quantum spin Hall effect. It is characterized by edge states. Both the helicity and the protection against scalar disorder of these edge states are unaffected by an in-plane magnetic field. At the same time its superconducting gap and its magnetotransport signals can be tuned in weak magnetic fields, because the combination of helical edge states and superconductivity results in a giant g-factor. This is manifested in a non-monotonic excess current and peak splitting of the dI/dV characteristics as a function of the magnetic field. In consequence, the superconducting quantum spin Hall effect is an effective generator and detector for spin currents. The research presented here deepens the understanding of the competition of bulk and edge transport in heterostructures based on topological insulators. Moreover it proposes feasible experiments to all-electrically measure crossed Andreev reflection and to test the spin polarization of helical edge states. N2 - Während des letzten Jahrzehnts haben sich topologische Isolatoren zu einem der aktivsten Bereiche der Festkörperphysik entwickelt. Diese neuartige Materialklasse charakterisiert sich durch einen isolierenden Volumenzustand, welcher, in zweidimensionalen und zeitumkehrinvarianten Systemen, durch helikale Randkanäle ergänzt wird. Diese Randkanäle machen topologische Isolatoren zu vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen in den Bereichen der präzisen Spintronik und der topologischen Quantencomputer. Diese Doktorarbeit trägt zu der Realisierung dieser faszinierenden Konzepte bei, indem sie den Transport durch Heterostrukturen aus zweidimensionalen topologischen Isolatoren und Metallen oder Supraleitern analysiert. Hierfür werden analytische und numerische Methoden angewandt. Im Besonderen wird eine generalisierte Methode zum Wellenfunktionsanpassung an Grenzflächen verwendet, um Rand- und Volumenzustände simultan beschreiben zu können. Für die numerische Untersuchung nicht-supraleitender Systeme werden topologische Isolatoren als Tunnelbarrieren zwischen metallischen Kontakten betrachtet. Unerwarteterweise sind die Leitfähigkeiten von Rand- und Volumenzuständen nicht additiv. In langen und breiten Tunnelbarrieren wird der Transport ausschließlich durch die Randkanäle bestimmt. In kurzen Tunnelbarrieren hingegen ergibt sich die Leitfähigkeit aus einem Gemisch von Rand- und Volumenzuständen, welches von der Breite der Probe abhängt. In kurzen Tunnelbarrieren zeigt die Leitfähigkeit als Funktion der Probenlänge außerdem ein Maximum, welches das topologisch nicht-triviale Regime von dem topologisch trivialen Regime unterscheidet. Diese nicht-monotone Leitfähigkeit basiert auf der Formation einer effektiv propagierenden Mode, welche gegen Streuung durch nicht-magnetische Störstellen geschützt ist. Die Analyse des Zusammenspiels von Rand- und Volumenzuständen wird auf supraleitende Tunnelbarrieren zwischen zwei topologischen Isolatoren ausgeweitet. Wenn die räumlichen Dimensionen der Tunnelbarriere klein genug sind, können die entgegenlaufenden Randkanäle an gegenüberliegenden Rändern des topologischen Isolators durch die evaneszenten Volumenzustände des Supraleiters gekoppelt werden. Hierdurch kann eine nicht-lokale Andreev-Reflexion generiert und kontrolliert werden. In Experimenten wird dieser Prozess normalerweise durch simultane Elektrontransmission überlagert. Für einzelne Kramers-Partner jedoch forciert die Helizität der Randkanäle die räumliche Trennung beider Prozesse, was eine rein elektrische Messung der nicht-lokalen Andreev-Reflexion ermöglicht. Im Weiteren wird eine Studie über Hybridsysteme aus helikalen Randkanälen und konventionellen Supraleitern im magnetischen Feld, welches in der Ebene des zweidimensionalen topologischen Isolators liegt, präsentiert. Die Studie beschreibt den neuartigen supraleitenden Quanten-Spin-Hall-Effekt. Die hierfür charakteristischen Randkanäle bleiben selbst in endlichen Magnetfeldern helikal und gegen nicht-magnetische Störstellen geschützt. Gleichzeitig führt die Kombination von helikalen Randkanälen und Supraleitung zu einem riesigen Landé-Faktor, wodurch die supraleitende Bandlücke und der Magnetotransport dieser Systeme mit kleinen Magnetfeldern manipuliert werden kann. Dies kann durch einen nicht-monotonen supraleitenden Überschussstrom und ein aufgespaltenes Maximum der dI/dV -Charakteristik als Funktion des Magnetfeldes gemessen werden. In der Folge stellt der supraleitende Quanten-Spin-Hall-Effekt einen effektiven Generator und Detektor für Spinströme dar. Die hier präsentierte Forschung vertieft das Verständnis des Zusammenspiels von Rand- und Volumentransport in Heterostrukturen aus toplogischen Isolatoren. Außerdem werden realisierbare Experimente beschrieben, mit welchen die nicht-lokale Andreev-Reflexion rein elektrisch gemessen und die Spinpolarisierung der helikalen Randkanäle getestet werden können. KW - Topologischer Isolator KW - NSN-junctions KW - NSN-Grenzfächen KW - Spintronik KW - Elektronischer Transport KW - Crossed Andreev Reflection KW - Topological edge states KW - Crossed Andreev Refexion KW - Topologische Randkanäle KW - Supraleiter Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-135611 ER - TY - THES A1 - Posske, Thore Hagen T1 - Dressed Topological Insulators: Rashba Impurity, Kondo Effect, Magnetic Impurities, Proximity-Induced Superconductivity, Hybrid Systems T1 - Topologische Isolatoren mit Zusätzen: Rashba Störstelle, Kondo Effekt, Magnetische Störstellen, Induzierte Supraleitung, Hybridsysteme N2 - Topological insulators are electronic phases that insulate in the bulk and accommodate a peculiar, metallic edge liquid with a spin-dependent dispersion. They are regarded to be of considerable future use in spintronics and for quantum computation. Besides determining the intrinsic properties of this rather novel electronic phase, considering its combination with well-known physical systems can generate genuinely new physics. In this thesis, we report on such combinations including topological insulators. Specifically, we analyze an attached Rashba impurity, a Kondo dot in the two channel setup, magnetic impurities on the surface of a strong three-dimensional topological insulator, the proximity coupling of the latter system to a superconductor, and hybrid systems consisting of a topological insulator and a semimetal. Let us summarize our primary results. Firstly, we determine an analytical formula for the Kondo cloud and describe its possible detection in current correlations far away from the Kondo region. We thereby rely on and extend the method of refermionizable points. Furthermore, we find a class of gapless topological superconductors and semimetals, which accommodate edge states that behave similarly to the ones of globally gapped topological phases. Unexpectedly, we also find edge states that change their chirality when affected by sufficiently strong disorder. We regard the presented research helpful in future classifications and applications of systems containing topological insulators, of which we propose some examples. N2 - Topologische Isolatoren sind elektronische Phasen, welche im Inneren isolieren, jedoch auf ihren Oberflächen über besondere, metallische Randkanäle mit einer spinabhängigen Dispersion verfügen. Diesen Phasen wird eine große Bedeutung hinsichtlich zukünftiger Realisationen von Spintronik und topologischem Quantenrechnen zugeordnet. Neben der Bestimmung intrinsischer Eigenschaften dieser neuartigen Systeme kann die Betrachtung von Kombinationen mit wohlbekannten physikalischen Systemen originelle, neue Physik generieren. Diese Dissertation befasst sich mit eben solchen Kombinationen. Insbesondere werden die folgenden Systeme analysiert: Ein lokaler Rashba-Rückstreuer, ein Kondo-Quantenpunkt im Zweikanalregime, im Gitter geordnete, magnetische Adatome auf einem starken, dreidimensionalen topologischen Isolator, die näheinduzierte Supraleitung in letzteren Systemen und Hybridverbindungen bestehend aus einem topologischen Isolator und einem Halbmetall. Die primären Resultate sind die analytische Beschreibung der Kondowolke und die Beschreibung ihrer möglichen Detektion in Stromkorrelationen weit entfernt von der Kondo-Region. Dabei wird die Methode der refermionisierbaren Parameterkonfigurationen verwendet und erweitert. Des Weiteren wird die Entdeckung einer Klasse von bandlückenfreien topologischen Phasen beschrieben, deren Randkanäle sich fast wie die von konventionellen topologischen Isolatoren verhalten. Die dargestellte Forschung wird voraussichtlich in der zukünftigen Klassifizierung und Anwendung von Systemen, die als Komponente mindestens einen topologischen Isolator enthalten, hilfreich sein. Dafür werden einige Beispiele gegeben. KW - Topologischer Isolator KW - physics KW - topological insulators KW - Emery Kivelson line KW - Toulouse point KW - Kondo cloud KW - helical liquid KW - Kondo effect KW - Rashba impurity KW - self-organized magnetization KW - hybrid systems KW - Festkörperphysik Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-131249 ER - TY - THES A1 - Rothe, Dietrich Gernot T1 - Spin Transport in Topological Insulators and Geometrical Spin Control T1 - Spintransport in topologischen Isolatoren und geometrische Spinkontrolle N2 - In the field of spintronics, spin manipulation and spin transport are the main principles that need to be implemented. The main focus of this thesis is to analyse semiconductor systems where high fidelity in these principles can be achieved. To this end, we use numerical methods for precise results, supplemented by simpler analytical models for interpretation. The material system of 2D topological insulators, HgTe/CdTe quantum wells, is interesting not only because it provides a topologically distinct phase of matter, physically manifested in its protected transport properties, but also since within this system, ballistic transport of high quality can be realized, with Rashba spin-orbit coupling and electron densities that are tunable by electrical gating. Extending the Bernvevig-Hughes-Zhang model for 2D topological insulators, we derive an effective four-band model including Rashba spin-orbit terms due to an applied potential that breaks the spatial inversion symmetry of the quantum well. Spin transport in this system shows interesting physics because the effects of Rashba spin-orbit terms and the intrinsic Dirac-like spin-orbit terms compete. We show that the resulting spin Hall signal can be dominated by the effect of Rashba spin-orbit coupling. Based on spin splitting due to the latter, we propose a beam splitter setup for all-electrical generation and detection of spin currents. Its working principle is similar to optical birefringence. In this setup, we analyse spin current and spin polarization signals of different spin vector components and show that large in-plane spin polarization of the current can be obtained. Since spin is not a conserved quantity of the model, we first analyse the transport of helicity, a conserved quantity even in presence of Rashba spin-orbit terms. The polarization defined in terms of helicity is related to in-plane polarization of the physical spin. Further, we analyse thermoelectric transport in a setup showing the spin Hall effect. Due to spin-orbit coupling, an applied temperature gradient generates a transverse spin current, i.e. a spin Nernst effect, which is related to the spin Hall effect by a Mott-like relation. In the metallic energy regimes, the signals are qualitatively explained by simple analytic models. In the insulating regime, we observe a spin Nernst signal that originates from the finite-size induced overlap of edge states. In the part on methods, we discuss two complementary methods for construction of effective semiconductor models, the envelope function theory and the method of invariants. Further, we present elements of transport theory, with some emphasis on spin-dependent signals. We show the connections of the adiabatic theorem of quantum mechanics to the semiclassical theory of electronic transport and to the characterization of topological phases. Further, as application of the adiabatic theorem to a control problem, we show that universal control of a single spin in a heavy-hole quantum dot is experimentally realizable without breaking time reversal invariance, but using a quadrupole field which is adiabatically changed as control knob. For experimental realization, we propose a GaAs/GaAlAs quantum well system. N2 - Manipulation und Transport von elektronischen Spins sind die wesentlichen Elemente, die für das Funktionieren einer zukünftigen Spin-basierten Elektronik implementiert werden müssen. Diese Arbeit befasst sich schwerpunktmäßig mit Halbleitersystemen, in denen diese Prinzipien mit hoher Zuverlässigkeit möglich sind. Dazu wurden sowohl numerische als auch analytische Berechnungsmethoden genutzt, letztere oft in der Form einfacher Modelle zur Interpretation der numerischen Ergebnisse. Das Halbleitersystem von HgTe/CdTe Quantentrögen, auch bekannt als zweidimensionaler topologischer Isolator, ist sowohl von fundamentalem wissenschaftlichen Interesse, da die topologisch nichttriviale Energiestruktur zu einem Schutz von Transporteigenschaften führt, als auch von angewandterem Interesse, da aus diesem Materialsystem Proben gefertigt werden können, die ballistischen Transport hoher Qualität zeigen, und da zudem die Rashba Spin-Bahn-Kopplung sowie die elektronische Dichte durch elektrische Steuerelektroden einstellbar sind. Wir erweitern das Bernevig-Hughes-Zhang Modell für zweidimensionale topologische Isolatoren, indem wir ein Vierbandmodell herleiten, das Rashba Spin-Bahn-Kopplungsterme enthält, die durch ein äußeres elektrisches Feld hervorgerufen werden, wenn dieses die Inversionssymmetrie des Quantentroges bricht. Der Transport von Spins in diesem System zeigt ein interessantes Wechselspiel zwischen Effekten der Rashba Spin-Bahn-Kopplung und Effekten der intrinsischen Dirac-artigen Spin-Bahn-Kopplung. Dabei dominiert die Rashba Spin-Bahn-Kopplung das Verhalten des Spin-Hall-Signals. Basierend auf der einstellbaren Rashba Spin-Bahn-Kopplung, schlagen wir einen spinselektiven Polarisator zur rein elektrischen Erzeugung und Detektion von Spinströmen vor. Das Funktionsprinzip ist vergleichbar mit demjenigen eines doppelbrechenden Kristalls. In der vorgeschlagenen Anordnung untersuchen wir die Spinpolarisation in verschieden Spinvektorkomponenten und zeigen die Realisierbarkeit von hoher Spinpolarisation in der Ebene. Da der Spin keine Erhaltungsgröße des Halbleitermodells ist, analysieren wir in einem ersten Schritt den Transport von der Erhaltungsgröße Helizität, und setzen die erzeugte Polarisation dann in Bezug zur Spinpolarisation. Des Weiteren analysieren wir thermoelektrischen Transport in einem System, das auch den Spin-Hall-Effekt zeigt. Aufgrund von Spin-Bahn-Kopplung kommt es beim Anlegen eines Temperaturgradienten zu einem transversalen Spinstrom, genannt Spin-Nernst-Effekt. Dieser ist über eine Mott-artige Beziehung mit dem Spin-Hall-Effekt verknüpft. Im metallischen Energiebereich können wir die Signale qualitativ anhand von einfachen analytischen Modellen verstehen. Im Energiebereich der elektronischen Bandlücke finden wir ein Spin-Nernst-Signal, das vom räumlichen Überlapp der Randzustände herrührt, die an gegenüberliegenden Kanten des Halbleitersystems lokalisiert sind. Im methodischen ersten Teil dieser Arbeit diskutieren wir zwei komplementäre Methoden zur Konstruktion von effektiven Halbleitermodellen, nämlich die Methode der Envelopefunktionen und die Methode der Invarianten. Außerdem präsentieren wir Elemente der elektronischen Transporttheorie, unter besonderer Beachtung von Spintransport. Wir diskutieren die Zusammenhänge zwischen dem adiabatischen Theorem in der Quantenmechanik einerseits, und semiklassischer Transporttheorie sowie der topologischen Klassifizierung von Phasen andererseits. Als weitere Anwendung des adiabatischen Theorems zeigen wir, wie universelle Kontrolle eines einzelnen Spins in einem Quantenpunkt aus Schwerlochzuständen experimentell realisiert werden kann, ohne dabei die Zeitumkehrsymmetrie zu brechen. Zu diesem Zweck führen wir ein elektrisches Quadrupolfeld ein, dessen Konfiguration als adiabatischer Kontrollparameter dient. Wir schlagen die experimentelle Realisierung des Quantenpunktes in einem QaAs/GaAlAs Quantentrogsystem vor. KW - Elektronischer Transport KW - Topologischer Isolator KW - Spintronik KW - topological insulators KW - topologische Isolatoren KW - mesoskopische Physik KW - mesoscopic physics KW - Halbleiterphysik KW - Thermoelektrizität KW - Quanteninformation Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125628 ER - TY - THES A1 - Krauß, Manuel Ernst T1 - Non-minimal supersymmetric models: LHC phenomenology and model discrimination T1 - Nichtminimale supersymmetrische Modelle: LHC-Phänomenologie und Modellunterscheidung N2 - It is generally agreed upon the fact that the Standard Model of particle physics can only be viewed as an effective theory that needs to be extended as it leaves some essential questions unanswered. The exact realization of the necessary extension is subject to discussion. Supersymmetry is among the most promising approaches to physics beyond the Standard Model as it can simultaneously solve the hierarchy problem and provide an explanation for the dark matter abundance in the universe. Despite further virtues like gauge coupling unification and radiative electroweak symmetry breaking, minimal supersymmetric models cannot be the ultimate answer to the open questions of the Standard Model as they still do not incorporate neutrino masses and are besides heavily constrained by LHC data. This does, however, not derogate the beauty of the concept of supersymmetry. It is therefore time to explore non-minimal supersymmetric models which are able to close these gaps, review their consistency, test them against experimental data and provide prospects for future experiments. The goal of this thesis is to contribute to this process by exploring an extraordinarily well motivated class of models which bases upon a left-right symmetric gauge group. While relaxing the tension with LHC data, those models automatically include the ingredients for neutrino masses. We start with a left-right supersymmetric model at the TeV scale in which scalar \(SU(2)_R\) triplets are responsible for the breaking of left-right symmetry as well as for the generation of neutrino masses. Although a tachyonic doubly-charged scalar is present at tree-level in this kind of models, we show by performing the first complete one-loop evaluation that it gains a real mass at the loop level. The constraints on the predicted additional charged gauge bosons are then evaluated using LHC data, and we find that we can explain small excesses in the data of which the current LHC run will reveal if they are actual new physics signals or just background fluctuations. In a careful evaluation of the loop-corrected scalar potential we then identify parameter regions in which the vacuum with the phenomenologically correct symmetry-breaking properties is stable. Conveniently, those regions favour low left-right symmetry breaking scales which are accessible at the LHC. In a slightly modified version of this model where a \(U(1)_R × U(1)_{B−L}\) gauge symmetry survives down to the TeV scale, we implement a minimal gauge-mediated supersymmetry breaking mechanism for which we calculate the boundary conditions in the presence of gauge kinetic mixing. We show how the presence of the extended gauge group raises the tree-level Higgs mass considerably so that the need for heavy supersymmetric spectra is relaxed. Taking the constraints from the Higgs sector into account, we then explore the LHC phenomenology of this model and point out where the expected collider signatures can be distinguished from standard scenarios. In particular if neutrino masses are explained by low-scale seesaw mechanisms as is done throughout this work, there are potentially spectacular signals at low-energy experiments which search for charged lepton flavour violation. The last part of this thesis is dedicated to the detailed exploration of processes like μ → e γ, μ → 3 e or μ−e conversion in nuclei in a supersymmetric framework with an inverse seesaw mechanism. In particular, we disprove claims about a non-decoupling effect in Z-mediated three-body decays and study the prospects for discovering and distinguishing signals at near-future experiments. In this context we identify the possibility to deduce from ratios like BR(\(τ → 3 μ\))/BR(\(τ → μ e^+ e^−\)) whether the contributions from ν − W loops dominate over supersymmetric contributions or vice versa. N2 - Man ist sich einig darüber, dass das Standardmodell der Teilchenphysik in seiner aktuellen Form nicht der Weisheit letzter Schluss ist – zu viele grundlegende Fragen lässt es offen. Lediglich die genaue Form der nötigen Erweiterung wird heiß debattiert. Supersymmetrische Modelle gehören zu den vielversprechendsten Ansätzen zu Physik jenseits des Standardmodells, da sie gleichzeiting das Hierarchieproblem lösen und die Dichte der beobachteten dunklen Materie im Universum erklären können. Obwohl das minimale supersymmetrische Modell weitere Vorzüge vorzuweisen hat – hierzu gehört die Vereinheitlichung der Eichkopplungen an großen Skalen sowie radiative elektroschwache Symmetriebrechung – sprechen die aktuellen Messungen am LHC eine andere Sprache. Zudem sind auch in diesem Modell die Neutrinos masselos, sodass es nicht die endgültige Theorie darstellen kann. Dies mindert jedoch nicht die Schönheit des Konzepts der Supersymmetrie, weshalb es an der Zeit ist, nichtminimale supersymmetrische Modelle zu untersuchen, welche die o. g. Probleme nicht aufweisen. Diese Modelle müssen auf Herz und Nieren geprüft werden, bevor man sie mit experimentellen Daten vergleichen und Vorhersagen für zukünftige Experimente treffen kann. Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu diesem wichtigen Prozess beizutragen. Hierzu soll die besonders aussichtsreiche Klasse von supersymmetrischen Modellen, welche auf einer links-rechts-Eichsymmetrie basieren, genau untersucht werden. Diese Modelle sind deutlich weniger von LHC-Ausschlussgrenzen betroffen und sagen zudem rechtshändige Neutrinos voraus, mit welchen die leichten Neutrinomassen erklärt werden können. Zu Beginn wenden wir uns einem links-rechts-supersymmetrischen Modell an der TeV-Skala zu, in welchem \(SU(2)_R\) -Tripletts sowohl für die Brechung der Links-Rechts-Symmetrie als auch für die Generation von Neutrinomassen verantwortlich sind. Zur führenden Ordnung in der Störungstheorie beinhaltet diese Art von Modellen ein tachyonisches doppelt geladenes Skalarfeld. Wir wenden uns der Ermittlung der zugehörigen Masse auf dem Einschleifenniveau zu und zeigen erstmals in einer konsistenten, vollständigen Berechnung derselben, dass die Masse im Allgemeinen reell ist. Anschließend werden die Beschränkungen an die Links-Rechts-Brechungsskala aus aktuellen LHC-Daten ermittelt. Wir zeigen, dass unser Modell gewisse Signal- Uberschüsse in jenen Daten erklären kann – der aktuelle LHC-Lauf wird klären, ob diese tatsächlich neuer Physik oder doch nur statistischen Fluktuationen entsprechen. Schließlich bestimmen wir in einer Untersuchung der Vakuumstruktur auf dem Einschleifenniveau diejenigen Parameterregionen, in welchen die phänomenologisch korrekte elektroschwache Symmetriebrechung angenommen wird. Passenderweise werden Regionen bevorzugt, welche messbare Signale am LHC vorhersagen. In einem leicht unterschiedlichen Modell, in dem eine \(U(1)_R × U(1)_{B−L}\) bis herunter an die TeV-Skala überleben kann, implementieren wir einen über Eichwechselwirkungen vermittelten Supersymmetrie-Brechungsmechanismus, mit besonderem Augenmerk auf die eichkinetische Mischung in den Randbedingungen. Durch die erweiterte Eichgruppe wird die Higgsmasse bereits auf führender Ordnung erhöht. Wir ermitteln die Konsequenzen für die Skala der Supersymmetrie-Brechungsskala. Anschließend untersuchen wir die am LHC zu erwartende Phänomenologie und zeigen auf, in welchen Prozessen sich dieses Modell von Standard-Szenarien unterscheidet. Durch diese Arbeit hinweg nehmen wir an, dass die leichten Neutrinomassen duch einen Seesaw-Mechanismus an der TeV-Skala erklärt werden. Dass dies zu potentiell höchst interessanten Signalen in Niederenergieexperimenten führt, wird im letzten Teil dieser Arbeit thematisiert. Der Fokus liegt hierbei auf Lepton-Flavour-verletzenden Prozessen wie μ → e γ, μ → 3 e oder die μ−e-Umwandlung in Atomkernen, welche wir im Rahmen eines supersymmetrischen Modells mit inversem Seesaw-Mechanismus genauer untersuchen. Insbesondere widerlegen wir Behauptungen von nichtentkoppelnden Z-Pinguin-Diagrammen und untersuchen die Aussichten, Signale an zukünftigen Experimenten zu messen sowie Rückschlüsse auf das zugrundeliegende Modell ziehen zu können. In diesem Zusammenhang demonstrieren wir die Möglichkeit, durch die relativen Verhältnisse von Verzweigungsverhältnissen wie BR(\(τ → 3 μ\))/BR(\(τ → μ e^+ e^−\)) unterscheiden zu können, ob die zugehörigen Prozesse hauptsächlich durch supersymmetrische oder durch W − ν-Diagramme herbeigeführt wurden. KW - Supersymmetrie KW - Standardmodell KW - beyond Standard Model KW - Physik jenseits des Standardmodells KW - lepton flavour violation KW - extra gauge bosons KW - extended gauge symmetry KW - Lepton-Flavour-Verletzung KW - extra Eichbosonen KW - erweiterte Eichsymmetrie KW - LHC KW - Vektorboson KW - Higgs-Teilchen Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123555 ER - TY - THES A1 - Goth, Florian T1 - Continuous time quantum Monte Carlo Studies of Quenches and Correlated Systems with Broken Inversion Symmetry T1 - Quanten Monte Carlo Simulationen in kontinuierlicher Zeit von Quenchen und korrelierten Systemen mit gebrochener Inversionssymmetrie N2 - This thesis deals with quantum Monte Carlo simulations of correlated low dimensional electron systems. The correlation that we have in mind is always given by the Hubbard type electron electron interaction in various settings. To facilitate this task, we develop the necessary methods in the first part. We develop the continuous time interaction expansion quantum algorithm in a manner suitable for the treatment of effective and non-equilibrium problems. In the second part of this thesis we consider various applications of the algorithms. First we examine a correlated one-dimensional chain of electrons that is subject to some form of quench dynamics where we suddenly switch off the Hubbard interaction. We find the light-cone-like Lieb-Robinson bounds and forms of restricted equilibration subject to the conserved quantities. Then we consider a Hubbard chain subject to Rashba spin-orbit coupling in thermal equilibrium. This system could very well be realized on a surface with the help of metallic adatoms. We find that we can analytically connect the given model to a model without spin-orbit coupling. This link enabled us to interpret various results for the standard Hubbard model, such as the single-particle spectra, now in the context of the Hubbard model with Rashba spin-orbit interaction. And finally we have considered a magnetic impurity in a host consisting of a topological insulator. We find that the impurity still exhibits the same features as known from the single impurity Anderson model. Additionally we study the effects of the impurity in the bath and we find that in the parameter regime where the Kondo singlet is formed the edge state of the topological insulator is rerouted around the impurity. N2 - In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit Quanten Monte Carlo Simulationen von niedrig dimensionalen korrelierten elektronischen Systemen. Die Korrelation der Elektronen wird hierbei durch die Hubbard Elektron-Elektron Wechselwirkung ins Spiel gebracht. Um dieses Problem anzugehen, werden wir im ersten Kapitel die notwendigen Methoden, ein Quanten Monte Carlo Verfahren mit kontinuierlicher Zeitdiskretisierung, das in der Hubbard Wechselwirkung entwickelt, in einer Art und Weise darlegen, die es uns ermöglicht, effektive Probleme sowie Probleme, die durch eine Realzeitentwicklung charakterisiert sind, zu lösen. Im zweiten Teil der Arbeit werden wir konkrete Anwendungen des Algorithmus diskutieren. Zuerst untersuchen wir eine ein-dimensionale Kette von Elektronen, die wir einer plötzlichen Änderung ihrer Parameter aussetzen, indem wir die Hubbard Wechselwirkung ausschalten. Wir finden in dieser Situation die lichtkegelartigen Lieb-Robinson Schranken wieder und beobachten, dass die Äquilibrierung des Systems durch die Erhaltungsgrößen eingeschränkt ist. Danach betrachten wir wieder eine ein-dimensionale Kette mit Hubbard Wechselwirkung, aber diesmal zusätzlich mit einer Spin-Bahn-Kopplung vom Rashba Typ, im thermischen Gleichgewicht. Dieses System ist durchaus mithilfe metallischer Adatome auf Oberflächen realisierbar. Wir zeigen, wie wir dieses Modell analytisch mit dem gleichen Modell ohne Spin-Bahn-Kopplung beschreiben können. Dieser Zusammenhang ermöglicht es uns, verschiedene bekannte Resultate des Hubbard Modells, wie die Einteilchen Spektralfunctionen, im Kontext des Hubbard Modells mit Spin-Bahn-Kopplung zu interpretieren. Und schlußendlich betrachten wir eine magnetische Störstelle in einem Trägermaterial, das durch einen topologischen Isolator gegeben ist. Wir beobachten, dass sich die Störstelle weiterhin so wie vom single impurity Anderson Modell erwartet verhält. Zusätzlich betrachten wir den Einfluß der Störstelle auf das Trägermaterial und stellen fest, dass in dem Parameterbereich, in dem das Kondo-Singlett ausgebildet ist, der Randzustand des topologischen Isolators die Störstelle umfließt. KW - Elektronenkorrelation KW - Niederdimensionales System KW - Monte-Carlo-Simulation KW - Monte-Carlo Methods KW - Rashba Spin-Orbit Coupling KW - Topological Insulator KW - Nonequilibrium KW - Hubbard-Modell KW - Festkörperphysik KW - Topologischer Isolator KW - Rashba-Effekt KW - Markov-Ketten-Monte-Carlo-Verfahren Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-118836 ER - TY - THES A1 - Winkler, Marco T1 - On the Role of Triadic Substructures in Complex Networks T1 - Über die Bedeutung von Dreiecksstrukturen in komplexen Netzwerken N2 - In the course of the growth of the Internet and due to increasing availability of data, over the last two decades, the field of network science has established itself as an own area of research. With quantitative scientists from computer science, mathematics, and physics working on datasets from biology, economics, sociology, political sciences, and many others, network science serves as a paradigm for interdisciplinary research. One of the major goals in network science is to unravel the relationship between topological graph structure and a network’s function. As evidence suggests, systems from the same fields, i.e. with similar function, tend to exhibit similar structure. However, it is still vague whether a similar graph structure automatically implies likewise function. This dissertation aims at helping to bridge this gap, while particularly focusing on the role of triadic structures. After a general introduction to the main concepts of network science, existing work devoted to the relevance of triadic substructures is reviewed. A major challenge in modeling triadic structure is the fact that not all three-node subgraphs can be specified independently of each other, as pairs of nodes may participate in multiple of those triadic subgraphs. In order to overcome this obstacle, we suggest a novel class of generative network models based on so called Steiner triple systems. The latter are partitions of a graph’s vertices into pair-disjoint triples (Steiner triples). Thus, the configurations on Steiner triples can be specified independently of each other without overdetermining the network’s link structure. Subsequently, we investigate the most basic realization of this new class of models. We call it the triadic random graph model (TRGM). The TRGM is parametrized by a probability distribution over all possible triadic subgraph patterns. In order to generate a network instantiation of the model, for all Steiner triples in the system, a pattern is drawn from the distribution and adjusted randomly on the Steiner triple. We calculate the degree distribution of the TRGM analytically and find it to be similar to a Poissonian distribution. Furthermore, it is shown that TRGMs possess non-trivial triadic structure. We discover inevitable correlations in the abundance of certain triadic subgraph patterns which should be taken into account when attributing functional relevance to particular motifs – patterns which occur significantly more frequently than expected at random. Beyond, the strong impact of the probability distributions on the Steiner triples on the occurrence of triadic subgraphs over the whole network is demonstrated. This interdependence allows us to design ensembles of networks with predefined triadic substructure. Hence, TRGMs help to overcome the lack of generative models needed for assessing the relevance of triadic structure. We further investigate whether motifs occur homogeneously or heterogeneously distributed over a graph. Therefore, we study triadic subgraph structures in each node’s neighborhood individually. In order to quantitatively measure structure from an individual node’s perspective, we introduce an algorithm for node-specific pattern mining for both directed unsigned, and undirected signed networks. Analyzing real-world datasets, we find that there are networks in which motifs are distributed highly heterogeneously, bound to the proximity of only very few nodes. Moreover, we observe indication for the potential sensitivity of biological systems to a targeted removal of these critical vertices. In addition, we study whole graphs with respect to the homogeneity and homophily of their node-specific triadic structure. The former describes the similarity of subgraph distributions in the neighborhoods of individual vertices. The latter quantifies whether connected vertices are structurally more similar than non-connected ones. We discover these features to be characteristic for the networks’ origins. Moreover, clustering the vertices of graphs regarding their triadic structure, we investigate structural groups in the neural network of C. elegans, the international airport-connection network, and the global network of diplomatic sentiments between countries. For the latter we find evidence for the instability of triangles considered socially unbalanced according to sociological theories. Finally, we utilize our TRGM to explore ensembles of networks with similar triadic substructure in terms of the evolution of dynamical processes acting on their nodes. Focusing on oscillators, coupled along the graphs’ edges, we observe that certain triad motifs impose a clear signature on the systems’ dynamics, even when embedded in a larger network structure. N2 - Im Zuge des Wachstums des Internets und der Verfügbarkeit nie da gewesener Datenmengen, hat sich, während der letzten beiden Jahrzehnte, die Netzwerkwissenschaft zu einer eigenständigen Forschungsrichtung entwickelt. Mit Wissenschaftlern aus quantitativen Feldern wie der Informatik, Mathematik und Physik, die Datensätze aus Biologie, den Wirtschaftswissenschaften, Soziologie, Politikwissenschaft und vielen weiteren Anwendungsgebieten untersuchen, stellt die Netzwerkwissenschaft ein Paradebeispiel interdisziplinärer Forschung dar. Eines der grundlegenden Ziele der Netzwerkwissenschaft ist es, den Zusammenhang zwischen der topologischen Struktur und der Funktion von Netzwerken herauszufinden. Es gibt zahlreiche Hinweise, dass Netz-werke aus den gleichen Bereichen, d.h. Systeme mit ähnlicher Funktion, auch ähnliche Graphstrukturen aufweisen. Es ist allerdings nach wie vor unklar, ob eine ähnliche Graphstruktur generell zu gleicher Funktionsweise führt. Es ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, zur Klärung dieser Frage beizutragen. Das Hauptaugenmerk wird hierbei auf der Rolle von Dreiecksstrukturen liegen. Nach einer allgemeinen Einführung der wichtigsten Grundlagen der Theorie komplexer Netzwerke, wird eine Übersicht über existierende Arbeiten zur Bedeutung von Dreiecksstrukturen gegeben. Eine der größten Herausforderungen bei der Modellierung triadischer Strukturen ist die Tatsache, dass nicht alle Dreiecksbeziehungen in einem Graphen unabhängig voneinander bestimmt werden können, da zwei Knoten an mehreren solcher Dreiecksbeziehungen beteiligt sein können. Um dieses Problem zu lösen, führen wir, basierend auf sogenannten Steiner-Tripel-Systemen, eine neue Klasse generativer Netzwerkmodelle ein. Steiner-Tripel-Systeme sind Zerlegungen der Knoten eines Graphen in paarfremde Tripel (Steiner-Tripel). Daher können die Konfigurationen auf Steiner-Tripeln unabhängig voneinander gewählt werden, ohne dass dies zu einer Überbestimmung der Netzwerkstruktur führen würde. Anschließend untersuchen wir die grundlegendste Realisierung dieser neuen Klasse von Netzwerkmodellen, die wir das triadische Zufallsgraph-Modell (engl. triadic random graph model, TRGM) nennen. TRGMs werden durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung über alle möglichen Dreiecksstrukturen parametrisiert. Um ein konkretes Netzwerk zu erzeugen wird für jedes Steiner-Tripel eine Dreiecksstruktur gemäß der Wahrscheinlichkeitsverteilung gezogen und zufällig auf dem Tripel orientiert. Wir berechnen die Knotengradverteilung des TRGM analytisch und finden heraus, dass diese einer Poissonverteilung ähnelt. Des Weiteren wird gezeigt, dass TRGMs nichttriviale Dreiecksstrukturen aufweisen. Außerdem finden wir unvermeidliche Korrelationen im Auftreten bestimmter Subgraphen, derer man sich bewusst sein sollte. Insbesondere wenn es darum geht, die Bedeutung sogenannter Motive (Strukturen, die signifikant häufiger als zufällig erwartet auftreten) zu beurteilen. Darüber hinaus wird der starke Einfluss der Wahrscheinlichkeitsverteilung auf den Steiner-Tripeln, auf die generelle Dreiecksstruktur der erzeugten Netzwerke gezeigt. Diese Abhängigkeit ermöglicht es, Netzwerkensembles mit vorgegebener Dreiecksstruktur zu konzipieren. Daher helfen TRGMs dabei, den bestehenden Mangel an generativen Netzwerkmodellen, zur Beurteilung der Bedeutung triadischer Strukturen in Graphen, zu beheben. Es wird ferner untersucht, wie homogen Motive räumlich über Graphstrukturen verteilt sind. Zu diesem Zweck untersuchen wir das Auftreten von Dreiecksstrukturen in der Umgebung jedes Knotens separat. Um die Struktur individueller Knoten quantitativ erfassen zu können, führen wir einen Algorithmus zur knotenspezifischen Musterauswertung (node-specific pattern mining) ein, der sowohl auf gerichtete, als auch auf Graphen mit positiven und negativen Kanten angewendet werden kann. Bei der Analyse realer Datensätze beobachten wir, dass Motive in einigen Netzen hochgradig heterogen verteilt, und auf die Umgebung einiger, weniger Knoten beschränkt sind. Darüber hinaus finden wir Hinweise auf die mögliche Fehleranfälligkeit biologischer Systeme auf ein gezieltes Entfernen ebendieser Knoten. Des Weiteren studieren wir ganze Graphen bezüglich der Homogenität und Homophilie ihrer knotenspezifischen Dreiecksmuster. Erstere beschreibt die Ähnlichkeit der lokalen Dreiecksstrukturen zwischen verschiedenen Knoten. Letztere gibt an, ob sich verbundene Knoten bezüglich ihrer Dreiecksstruktur ähnlicher sind, als nicht verbundene Knoten. Wir stellen fest, dass diese Eigenschaften charakteristisch für die Herkunft der jeweiligen Netzwerke sind. Darüber hinaus gruppieren wir die Knoten verschiedener Systeme bezüglich der Ähnlichkeit ihrer lokalen Dreiecksstrukturen. Hierzu untersuchen wir das neuronale Netz von C. elegans, das internationale Flugverbindungsnetzwerk, sowie das Netzwerk internationaler Beziehungen zwischen Staaten. In Letzterem finden wir Hinweise darauf, dass Dreieckskonfigurationen, die nach soziologischen Theorien als unbalanciert gelten, besonders instabil sind. Schließlich verwenden wir unser TRGM, um Netzwerkensembles mit ähnlicher Dreiecksstruktur bezüglich der Eigenschaften dynamischer Prozesse, die auf ihren Knoten ablaufen, zu untersuchen. Wir konzentrieren uns auf Oszillatoren, die entlang der Kanten der Graphen miteinander gekoppelt sind. Hierbei beobachten wir, dass bestimmte Dreiecksmotive charakteristische Merkmale im dynamischen Verhalten der Systeme hinterlassen. Dies ist auch der Fall, wenn die Motive in eine größere Netzwerkstruktur eingebettet sind. KW - Netzwerk KW - Komplexes System KW - Substruktur KW - Dreieck KW - Networks KW - Complex Systems KW - Statistics KW - Machine Learning KW - Biological Networks KW - Statistische Physik KW - Statistische Mechanik KW - Data Mining KW - Maschinelles Lernen KW - Graphentheorie Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-116022 SN - 978-3-7375-5654-5 PB - epubli GmbH CY - Berlin ER - TY - THES A1 - Camargo Molina, José Eliel T1 - Vacuum stability of models with many scalars T1 - Vakuumstabilität von Modellen mit vielen Skalaren N2 - One of the most popular extensions of the SM is Supersymmetry (SUSY). It is a symmetry relating fermions and bosons and also the only feasible extension to the symmetries of spacetime. With SUSY it is then possible to explain some of the open questions left by the SM while at the same time opening the possibility of gauge unification at a high scale. SUSY theories require the addition of new particles, in particular an extra Higgs doublet and at least as many new scalars as fermions in the SM. Much in the same way that the Higgs boson breaks SU (2)L symmetry, these new scalars can break any symmetry for which they carry a charge through spontaneous symmetry breaking. Let us assume there is a local minimum of the potential that reproduces the correct phenomenol- ogy for a parameter point of a given model. By exploring whether there are other deeper minima with VEVs that break symmetries we want to conserve, like SU (3)C or U (1)EM , it is possible to exclude regions of parameter space where that happens. The local minimum with the correct phenomenology might still be metastable, so it is also necessary to calculate the probability of tunneling between minima. In this work we propose and apply a framework to constrain the parameter space of models with many scalars through the minimization of the one-loop eff e potential and the calculation of tunneling times at zero and non zero temperature.After a brief discussion about the shortcomings of the SM and an introduction of the basics of SUSY, we introduce the theory and numerical methods needed for a successful vacuum stability analysis. We then present Vevacious, a public code where we have implemented our proposed framework. Afterwards we go on to analyze three interesting examples. For the constrained MSSM (CMSSM) we explore the existence of charge- and color- breaking (CCB) minima and see how it constraints the phenomenological relevant region of its parameter space at T = 0. We show that the regions reproducing the correct Higgs mass and the correct relic density for dark matter all overlap with regions suffering from deeper CCB minima. Inspired by the results for the CMSSM, we then consider the natural MSSM and check the region of parameter space consistent with the correct Higgs mass against CCB minima at T /= 0. We find that regions of parameter space with CCB minima overlap significantly with that reproducing the correct Higgs mass. When thermal eff are considered the majority of such points are then found to have a desired symmetry breaking minimum with very low survival probability. In both these studies we find that analytical conditions presented in the literature fail in dis- criminating regions of parameter space with CCB minima. We also present a way of adapting our framework so that it runs quickly enough for use with parameter fit studies. Lastly we show a different example of using vacuum stability in a phenomenological study. For the BLSSM we investigate the violation of R-parity through sneutrino VEVs and where in parameter space does this happen. We find that previous analyses in literature fail to identify regions with R-parity conservation by comparing their results to our full numerical analysis. N2 - Eine der populärsten Erweiterungen des SM ist die Supersymmetrie (SUSY). Dies ist eine Symmetrie, die Bosonen und Fermionen in Beziehung setzt und auch die einzige machbare Erweiterung der Raumzeitsymmetrien. SUSY kann einige offene Fragen des SM erklären und eröffnet die Möglichkeit einer Vereinheitlichung der Eichwechselwirkungen bei einer hohen Skala. Supersymmetrische Theorien erfordern das Hinzufügen neuer Teilchen, insbesondere eines zusätzlichen Higgs-Dubletts und zumindest eines Skalars für jedes Fermion im SM. So wie im SM das Higgs-Boson die SU (2)L-Symmetrie bricht, können diese neuen Skalare jede Symmetrie, deren Ladung sie tragen, spontan brechen. Angenommen, es gibt ein lokales Minimum des Potentials, das die korrekte Phänomenologie für einen Parameterraumpunkt eines Modells erzeugt: Durch die Suche nach anderen tieferen Minima mit Vakuumerwartungswerten, die gewünschte Symmetrien wie SU (3) oder U (1)EM brechen, ist es möglich Parameterraumpunkte, in denen dies passiert, auszuschliessen. Das lokale Minimum mit der korrekten Phänomenologie kann immernoch metastabil sein, weshalb es auch notwendig ist, die Tunnelwahrscheinlichkeit zwischen zwei Minima zu berechnen. In dieser Arbeit legen wir eine Prozedur vor und wenden sie an, um den Parameterraum von Modellen mit vielen Skalaren durch die Minimierung des effektiven Ein-Schleifen-Potentials und durch die Berechnung seiner Lebensdauer sowohl bei T = 0 und bei T /= 0 einzuschränken. Nach einer kurzen Diskussion der Unzulänglichkeiten des SM und Einführung der Grundlagen von SUSY erläutern wir die Theorie und die die nötigen numerischen Methoden für eine erfolgreiche Analyse der Vakuumstabilitaet. Danach präsentieren wir Vevacious, ein öffentliches Programmpaket, in das wir unsere Prozedur implementiert haben. Daraufhin analysieren wir drei interessante Beispiele. Für das Constrained MSSM (CMSSM) untersuchen wir die die Existenz von Minima, in denen die Farb- oder elektrische Ladung nicht erhalten ist (CCB-Minima), und wie dessen phänomenologisch relevante Region des Parameter- raums dadurch bei T = 0 eingeschränkt wird. Wir zeigen, dass die Regionen, die die korrekte Higgsmasse und die richtige Relikt-Dichte für die Dunkle Materie reproduzieren, mit Regionen, die tiefere CCB-Minima aufweisen, überlappen. Inspiriert durch die Ergebnisse für das CMSSM betrachten wir dann das Natural MSSM und prüfen die Parameterraumregion mit der korrekten Higgsmasse auf CCB-Minima bei T /= 0.Wir finden, dass die Region des Parameterraums mit CCB-Minima deutlich mit denen mit einer korrekten Higgsmasse überlappt. Bei Berücksichtigung von thermalen Effekten hat ein Großteil der bei T = 0 langlebigen Punkte ein gewünschtes symmetriebrechendes Minimum mit einer sehr geringen Überlebenswahrscheinlichkeit bei T /= 0. In beiden Studien finden wir, dass die analytischen Bedingungen, die bisher in der Literatur präsentiert wurden, nicht ausreichen, um Bereiche des Parameterraums mit CCB-Minima auszuweisen. Wir präsentieren einen Weg, unsere Prozedur für die Nutzung in Parameterraum-Fit-Studien zu beschleunigen. Zuletzt zeigen wir ein weiteres Beispiel. Für das BLSSM untersuchen wir die Verletzung der R-Parität durch Sneutrino- VEVs und in welchen Parameterraumbereichen dies geschieht. Wir stellen durch Vergleich mit unserer kompletten numerischen Analyse heraus, dass frühere Analysen in der Literatur darin fehlschlagen, diese Bereiche mit Erhaltung der R-Parität zu identifizieren. KW - Supersymmetry KW - Vacuum stability KW - Supersymmetry KW - Beyond Standard Model Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-112755 ER -