Diagrammatic methods beyond DMFT

Abstract

Das Verstaendnis von elektronischen Korrelationsphaenomenen stellt eine der groeßten Her- ausforderungen der Festkoerperphysik dar. In den letzten 25 Jahren hat sich die dynamische Molekularfeldtheorie (DMFT) als die "Standardmethode" fuer korrelierte fermionische Systeme etabliert, welche weit ueber eine stoerungstheoretische Behandlung hinausgeht und auch heute noch Grundlage von theoretischen Weiterentwicklungen ist. Dank DMFT lassen sich heutzue tage nicht nur viele Phaenomene gut verstehen, etwa der beruehmte Mott-Isolator uebergang, son- dern es eroeffnen sich sogar Moeglichkeiten der Vorhersage elektronischer Eigenschaften fuer Materialien in denen ein effektives Einteilchenbild unzureichend ist. Allerdings hat auch die DMFT ihre Grenzen: Zum einen beruht sie auf der Annahme, dass elektronische Korrelationen rein lokal sind. Zum anderen handelt es sich historisch gesehen um eine Methode, welche zuvorderst niederenergetische Freiheitsgerade zu beschreiben versucht. In der Tat existieren Systeme und physikalische Eigenschaften fuer welche diese Beschraenkun- gen nicht moeglich ist. In der vorliegenden Arbeit versuche ich diese beiden Probleme, welche Gegenstand inten- siver Bemuehungen in der aktuellen Forschung sind, anzugehen und Wege aufzuzeigen, welche eine bessere Beschreibung korrelierter Materialien ermoeglichen. Dazu stelle ich die Kombinae tion von DMFT mit zwei etablierten Methoden vor, die beide auf der Feynmanschen Diagram- matik basieren: Die Hedinsche GW Naeherung (G: Greensche Funktion; W: abgeschirmte Wechselwirkung) und die funktionale Renormierungsgruppe (fRG). Waehrend man mit GW hoeherenergetische Freiheitsgrade erfassen kann, ist fRG in der Lage auch niedrigdimensionale Systeme, in welchen Korrelationen manifest nichtlokal sind, zu beschreiben. In Kapitel 1 werden diese drei Methoden (DMFT, GW und fRG) eingefuehrt. Der erste Teil des Kapitel behandelt GW und diskutiert weitere Naeherungen, die oft noetig sind, um GW in realistischen Berechnungen zu verwenden. Im zweiten Teil wird die fRG eingefuehrt und ihre diagrammatischen Grundlagen erklaert. Schlussendlich wird auch die DMFT und als Anwen- dungsbeispiel der Mott-uebergang besprochen. In Kapitel 2 wird die Kombination von GW und DMFT, welche auch GW +DMFT genannt wird, eingefuehrt. Die Methode wurde bereits vor einem Jahrzehnt vorgeschlagen und hat viele konzeptuelle Vorteile gegenueber z.B. lokale Dichteapproximation (LDA)+DMFT, einer an- deren, sehr erfolgreichen realistischen Erweiterung von DMFT. Leider ist jedoch die Implemen- tierung der GW +DMFT Methode fuer realistische Berechnungen technisch aeußerst aufwendig, weshalb es bisher nur wenige Beispiele tatsaechlicher Anwendungen gibt. Deshalb wird hier die Implementierung einer Quasiteilchen Naeherung fuer GW +DMFT vorgeschlagen, deren nue merischer Aufwand vergleichbar ist mit jenem von LDA+DMFT. Am Beispiel des korrelierten Metalls SrVO3 zeigen wir die Vorteile unserer Methode und vergleichen sie mit experimentellen Photoemissionsspektren, sowie mit Resultaten der etablierten LDA+DMFT Methode. Schließlich wird in Kapitel 3 die ``DMF2RG-- eingefuehrt, eine neuartige Kombination zwischen DMFT und fRG. Der große Vorteil dieser neuen Methode ist, dass der fRG-Fluss hier bereits von Anfang an die nicht-perturbative Physik der DMFT beinhaltet. Zudem werden nicht-lokale Fluktuationen durch den Fluss unverfaelscht in allen Kanaelen berechnet. Als erstes Beispiel fuer die Anwendungsmoeglichkeiten der DMF2RG Methode wird das zweidimensionale Hubbard-Modell bei halber Fuellung betrachtet, insbesondere werden die elektronische Selbsten- ergie sowie einige Zweiteilcheneigenschaften (die statische Spinsuszeptibilitaet und die 4-Punkt Vertexfunktion) berechnet. Die vielversprechenden Ergebnisse und der Vergleich mit anderen Methoden, wie etwa der ``dynamical cluster approximation" (DCA) und Quanten-Monte-Carloe Methoden zeigt die gorßen Perspektiven, diese neuen DMF2RG Methode zu verwenden.

In the last two decades the combined use of local density approximation (LDA) and dynamical mean field theory (DMFT), namely LDA+DMFT, has strongly enhanced the predictive power of computational methods in condensed matter. DMFT includes nonperturbatively the local part of elec- tronic correlations and hence allows for bridging the major gap of LDA: The poor description of strong correlations. However, LDA+DMFT still ne- glects nonlocal (i) exchange and (ii) correlations, which play a key role in several interesting physical phenomena (e.g., quantum criticality and high- temperature superconductivity). In this thesis, we discuss two diagrammatic extensions of DMFT, that aim at the improvement of these shortcomings. To tackle point (i) we exploit GW+DMFT: The GW self energy, accounting for nonlocal exchange, is combined with the DMFT one. By means of our GW+DMFT calculations a significant improvement for the local spectral function of SrVO3 has been obtained w.r.t. previous LDA+DMFT results, in particular for the position of the lower Hubbard band. On the other hand, to deal with point (ii) we introduce a novel ap- proach, coined DMF2RG. This is based on the combination of DMFT with the functional renormalization group (fRG). This way it is possible to include nonlocal correlations in all channels on top of the nonperturbative DMFT description of local correlations. We present a first application of the new method to the twoedimensional Hubbard model. Consistently with results obtained by consolidated techniques, our DMF2RG calculations show a sig- nificant enhancement of the low-energy scattering rate in the self energy and of the antiferromagnetic fluctuations in the spin susceptibility.