Eine Methode zur Lösung beliebiger bosonischer und fermionischer Vielteilchensysteme

Heinze, Stefan (2008). Eine Methode zur Lösung beliebiger bosonischer und fermionischer Vielteilchensysteme. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden mehrere Klassen quantenmechanischer Vielteilchensysteme im Formalismus der zweiten Quantisierung aus dem Blickpunkt von Symmetrien sowohl numerisch als auch analytisch untersucht. Um die numerischen Berechnungen durchführen zu können, wurde ein Computerprogramm mit Namen "ArbModel" mit den entsprechenden Fähigkeiten entwickelt. Hierbei wurde großen Wert auf Allgemeinheit gelegt, so dass Hamiltonians zu einer sehr großen Anzahl unterschiedlichster Modelle aufgestellt und diagonalisiert werden können. Alle Ideen, die für die Programmierung eines derartigen Programms notwendig sind, wurden erklärt und in dem numerischen Code verwirklicht. Mit diesem Programm zur Verfügung wurden Vielteilchensysteme, welche lediglich aus identischen Teilchen bestehen, im Allgemeinen untersucht. Es wurden allgemeine Bedingungen für das Vorhandensein einer dynamischen Symmetrie hergeleitet. Bedingungen für die schwächere Forderung nach der Erhaltung der sog. Senioritätsquantenzahl wurden ebenfalls im Detail untersucht. Obwohl derartige Untersuchungen in der Vergangenheit bereits stattgefunden haben, konnten neue Fälle gefunden und neue Bedingungen aufgestellt werden. Als überraschendes Ergebnis wurden Beispiele entdeckt, für welche die Seniorität im Allgemeinen gebrochen, für ein paar spezifische Zustände jedoch erhalten ist. Diese Zustände sind lösbar und entsprechende Formeln für ihre Anregungsenergien wurden angegeben. Alle analytischen Ergebnisse wurden mit "ArbModel" überprüft. Als weitere Anwendungen für den numerischen Code wurden die Vorhersagen einer sehr neuen Theorie, welche Quantenphasenübergänge mit sog. Verzweigungspunkten in Verbindung bringt, verifiziert. Hierfür wurde das sd-Interacting-Boson-Model 1 (sd-IBM1) mit einer sehr hohen Teilchenzahl verwendet. Außerdem wurde eine bestimmte dynamische Symmetrie des Interacting-Boson-Fermion-Models untersucht. Verzweigungsregeln für diese Bose-Fermi-Symmetrie wurden aufgestellt, sowie Auswahlregeln für M1-Übergänge abgeleitet. Auch hier verifiziert der numerische Code alle analytischen Ergebnisse. Da "ArbModel" alle analytischen Ergebnisse dieser Arbeit reproduziert, wurde somit auch der Beweis für Korrektheit dieses Programms gegeben.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

In the present dissertation different classes of quantum mechanical many body systems are investigated numerically and analytically considering symmetries in the formalism of second quantization. All algebraic ideas which are neccessary to develop a numerical computer code which is able to calculate the eigenvalues and eigenstates of a very general quantum many body hamiltonian are explained. The two most crucial problems are branching rules and the calculation of isoscalar factors. Methods are presented to solve these problems numerically for the general case. The most important point is the calculation of isoscalar factors with a nonrecursive method and without any numerical error. All presented ideas were implemented in the program 'ArbModel'. With this very flexible computer code at hand, systems of identical particles were investigated in general. General formulas were derived for the presence of dynamical symmetry. Weaker conditions are neccessary for the conservation of the so called seniority quantum number. This situation is called partial dynamical symmetry. These conditions were investigated in detail. Althouth other authors have previously investigated this problem, some new cases were discovered and new conditions could be derived. Most surprisingly, cases were found in which the seniority quantum number is generally broken except for some specific states. These states are solvable and formulae for their energies are presented. All analytically derived results were checked with 'ArbModel'. As further applications for the code, two selected models with distinguishable particles are investigated. The predictions of a very new theory, which connects quantum phase transitions and exceptional points, are verfied with the sd-Interacting-Boson-Model 1 (sd-IBM1) and a very high particle number. For the Interacting-Boson-Fermion-Model a selected dynamical symmetry was investigated. The branching rules for this Bose-Fermi-Symmetry were calculated in detail and selection rules for M1-transitions were derived. Again, all analytic results were checked numerically. Since 'ArbModel' verfies all analytic results of this work, the proof for correctness of this code was also given.

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