Mott-Hubbard Metal-Insulator Transition and Optical Conductivity in High Dimensions
by Nils Blümer
(Shaker Verlag, ISBN 3-8322-2320-7)
Zusammenfassung
Die Charakterisierung eines Materials als metallisch oder isolierend,
das Studium von Übergängen zwischen solchen Zuständen, sowie die
Entwicklung von Modellen für solche Übergänge sind von
erheblicher fundamentaler und praktischer Bedeutung. Das Ein-Band
Hubbard-Modell ist in diesem Zusammenhang potentiell relevant, da sein
primärer Parameter, die on-site Wechselwirkung, bei halber
Füllung einen Übergang oder ein Crossover von metallischem
zu isolierendem Verhalten bewirkt. Eine reduzierte Komplexität wird
mit der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT) erreicht; wegen ihres
nichtperturbativen Charakters ist diese Methode im interessanten
Bereich mittlerer bis starker Wechselwirkung zuverlässig. Sie wird
exakt im Limes hoher Dimensionalität (oder großer
Koordinationszahl).
Diese Arbeit konzentriert sich auf stark korrelierte Elektronensysteme
in der Nähe eines Mott Metall-Isolator-Übergangs. Im
pädagogischen Kapitel 1 führen wir den allgemeinen elektronischen
Hamilton-Operator und seine Reduktion auf das Hubbard-Modell ein. Wir
charakterisieren die DMFT und ihre Beziehung zu
Molekularfeldnäherungen für Spinsysteme und geben die mean-field Gleichungen sowie deren numerische Lösung mithilfe der
Quanten-Monte-Carlo-Methode (QMC) an. Schließlich diskutieren wir die
analytische Fortsetzung von Imaginär-Zeit Green-Funktionen mithilfe
der Maximum-Entropie-Methode (MEM).
In Kapitel 2 studieren wir die Beziehungen zwischen Gittertypen,
Frustration und Zustandsdichten (DOS). Auf der Grundlage von
Monte-Carlo-Berechnungen von Impuls-Summen überprüfen wir auch die
Konvergenz der DOS zu ihrem unendlich-dimensionalem (d=∞) Limes.
Wir stellen neue Einsichten in die Natur des "Bethe Gitters" und in
den Einfluß von langreichweitigem Hüpfen für dieses Modell vor.
Ein neuer Formalismus wird entwickelt, der es erlaubt, Modelle mit
hyperkubischer Symmetrie zu konstruieren, die eine beliebig
vorgegebene Zustandsdichte in d=∞ reproduzieren. Mit diesem
Zugang können wir erstmals ein reguläres Gitter mit halb-elliptischer
DOS in d=∞ konstruieren.
Im zentralen Kapitel 3 erforschen wir gründlich die
Tieftemperatureigenschaften des voll frustrierten Hubbard-Modells mit
halb-elliptischer DOS im Rahmen der DMFT. Die Grenzen eines
Koexistenzgebietes von metallischen und isolierenden Lösungen werden
mit hoher Genauigkeit bestimmt, wodurch eine Kontroverse bezüglich
der Existenz eines Übergangs erster Ordnung innerhalb dieses Modells
aufgelöst wird. Wir korrigieren Unzulänglichkeiten eines vormals
benutzten QMC-Schemas und formulieren ein verbessertes Kriterium für
das Bestimmen von Phasenübergängen. Mit der akkuraten Bestimmung
der Phasenübergangslinie erster Ordnung unter Verwendung eines neu
entwickelten Formalismus' erschließen wir ein neues Forschungsgebiet.
Zuletzt schlagen wir weitere methodische Verbesserungen vor und
berechnen lokale MEM Spektren mit hoher Präzision.
Transporteigenschaften werden in Kapitel 4 diskutiert, in welchem wir
die relevanten Formalismen zusammenstellen und erweitern. Wir leiten neue
Ausdrücke für die optische f-Summenregel in d=∞ ab. Voll
gitterspezifische Berechnungen der optischen Leitfähigkeit erweisen sich
als essentiell; in früheren Studien gemachte Fehler werden quantifiziert.
Wir legen dar, weshalb DMFT-Berechnungen von Transporteigenschaften "des
Bethe-Gitters" nicht eindeutig sind und untersuchen mögliche Konzepte,
um das Problem vollständig zu definieren; dabei vereinigt das
in Kapitel 2 definierte reguläre Gitter die meisten wünschenswerten
Eigenschaften. Anschließend präsentieren wir präzise numerische
Resultate für die optische Leitfähigkeit, welche auf den in Kapitel 3
berechneten MEM-Spektren basieren.
Die Doktorarbeit schließt mit Kapitel 5, in welchem die Dichtefunktionaltheorie und ihre lokale Dichtenäherung (LDA) besprochen und die kürzlich
entwickelte hybride LDA+DMFT-Methode vorgestellt werden. Wir diskutieren die
Lösung durch QMC sowie die Extraktion von Photoemissions- und Röntgenabsorptionsspektren. Numerische Resultate mit kontrollierter Präzision für das dotierte Übergangsmetalloxid La1-xSrxTiO3 werden mit Experimenten verglichen. Schließlich leiten wir noch eine mit der LDA DOS kompatible Definition für die optische Leitfähigkeit ab und präsentieren korrespondierende Resultate auf der Basis von MEM-Spektren.