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Thèse Année : 2022

Study of quantum impurity problems in the framework of natural orbitals

Etude de problèmes d'impuretés quantiques dans le cadre des orbitales naturelles

Maxime Debertolis
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1232509
  • IdRef : 268057478

Résumé

Strong correlations arising from interactions between particles are responsible for many phenomena in condensed matter physics, from superconductivity to heavy fermions. An accurate theoretical description of such complex systems requires to solve so-called many-body problems, which are inherently difficult to tackle due to the exponential growth of the underlying Fock space with the size of the system. Usually, single-particle descriptions or perturbation theory at first orders fail to provide satisfactory results in correlated regimes, and pertinent Ansätze or cutting edge numerical methods are required to solvethese problems.Among the wide variety of strongly correlated electronic systems, quantum impurity systems are of central interest. These systems, where a few localized degrees of freedom that undergo strong interactions hybridize with a larger system of free particles, have been widely studied for decades. Beyond their relevance to study dilute dynamic impurities in metals, quantum dots, or more complex nanostructures, they are exploited in a broader class of problems through dynamical mean field theory (DMFT), that is designed for fully interacting lattice problems. Despite the effort devoted to studying of these problems,some questions remain open and new approaches are required to address them.In this thesis, quantum impurity problems are tackled with the use of natural orbitals, a representation rooted in the framework of quantum chemistry. The numerical renormalization group, the standard non-perturbative method to treat these systems, is employed to demonstrate the hierarchical structure of correlations unveiled by natural orbitals. An ansatz for the wavefunction of the ground state is then proposed, separating explicitely a small set of correlated orbitals to a large uncorrelated one, leaving the problem to a few-body complexity. This simplification brought new insights for simulating quantumimpurity problems, and a new algorithm is developed to generate an optimized set of correlated orbitals independently of existing methods, going beyond their usual limitations.In the first place, the algorithm is used to compute the screening cloud in large one-dimensional chains and in a realistic 2D square lattice coupled to a localized adatom. This observable is of great interest to understand the screening mechanism of the magnetic moment of the impurity that plays a central role in transport properties, for unidimensional systems or in bulk metals experiencing RKKY interactions. Spatial correlations were found to be highly non-symmetric, breaking the s-wave picture. In one direction, corre-lations vanish way faster than the usual isotropic correlation length, while on the other one they spread further than this same expected length. This anisotropy suggests that impurities in bulk systems may interact differently depending on their relative positions with respect to the lattice.Taking further advantage of the efficiency of this new algorithm allowed us to perform a statistical study on large systems to investigate correlations around a quantum impurity in a disordered host, averaging over a large amount of realizations, which was not possible with previous approaches. The question motivating this study was the fate of the correlation cloud spreading into the disordered electronic bath. Although spatial correlations are expected to vanish when the disorder increases, long range correlationssurvive to some configurations of the potential, inducing a bimodal structure of probability distribution functions of relevant scales.Finally, these disordered problems are investigated in the non-interacting situation with random matrix theory, which reproduced qualitatively the results obtained before. The joint distribution of one-particle orbitals energies and amplitudes is calculated, which allows to compute any disordered averaged local correlation functions, and calculations in the large-N limit are presented.
Les corrélations fortes résultant de l’interaction de Coulomb entre les particules sont responsables de nombreux phénomènes en physique de la matière condensée, de la supraconductivité aux fermions lourds. La description théorique de ces systèmes complexes nécessite la résolution de problèmes dits à N-corps, intrinsèquement difficiles à traiter en raison de la croissance exponentielle de l’espace de Fock sous-jacent avec le nombre de degrés de liberté dans le système.Parmi la grande variété de systèmes électroniques fortement corrélés, les systèmes d’impuretés quantiques sont d’un intérêt central. Ces systèmes, dans lesquels quelques degrés de liberté localisés qui subissent de fortes interactions s’hybrident avec un système plus large constitué de particules libres, ont été amplement étudiés au cours des dernières décennies. Au delà de leur pertinence pour étudier des impuretés dynamiques diluées dans les métaux, les points quantiques, ou dans des nanostructures plus complexes, ces modèles sont exploités dans une classe plus large de problèmes à travers la théorie duchamp moyen dynamique (DMFT), conçue pour les problèmes sur réseau en interaction. Certaines questions restent néanmoins ouvertes et de nouvelles approches sont nécessaires pour y répondre.Dans cette thèse, les problèmes d’impuretés quantiques sont abordés à l’aide des orbitales naturelles, une représentation ancrée dans le cadre de la chimie quantique. Le groupe de renormalization numérique, la méthode non-perturbative standard pour traiter ces problèmes, est utilisée pour démontrer la structure hiérarchique des correlations révélée par les orbitales naturelles. Cette simplification apporte de nouvelles perspectives pour la simulation des problèmes d’impuretés quantiques, et un nouvel algorithme est développé visant à générer un ensemble optimal d’orbitales corrélées indépendamment des méthodes existantes, allant au delà des limitations habituelles.Dans un premier temps, l’algorithme est utilisé pour calculer le nuage d’écrantage dans de longues chaı̂nes unidimensionnelles et dans un réseau carré bidimensionnel réaliste couplé à un adatome localisé. Cette observable est d’un grand intérêt pour comprendre les mécanismes d’écrantage du moment magnétique de l’impureté, qui jouent un rôle central dans les propriétés de transport des systèmes unidimensionnels ou des matériaux condensés sujets aux interactions RKKY. Dans une direction, lescorrélations s’éteignent bien avant la longueur de corrélation du système isotrope, alors que dans la direction orthogonale les correlations s’étendent plus loin que cette même longueur. Cette anisotropie suggère que les impuretés dans un métal interagissent différemment selon leur position respective dans le réseau.Tirant profit de l’efficacité de l’algorithme nous a permis de réaliser une étude statistique sur de grands systèmes et l’étude des correlations dans l’environnement désordonné entourant une impureté quantique, en moyennant sur une grande quantité de réalisations, ce qui n’était pas réalisable avec les approches précédentes. La question centrale de cette étude concerne le sort du nuage de corrélations s’étendant dans le bain électronique désordonné. Bien que l’on s’attende à ce que les correlations spatiales disparaissent lorsque le désordre augmente, des correlations à grande distance survivent à certaintes configurations du potentiel désordonné, induisant une structure bimodale des fonctions de densitéde probabilité des échelles étudiées.Pour finir, ces problèmes désordonnés sont examinés dans la limite sans interaction à l’aide d’un modèle se basant sur la théorie des matrices aléatoires, qui reproduit qualitativement les résultats obtenues précédemments. La distribution de probabilité jointe des énergies et des amplitudes des orbitales à un corps est calculée, permettant de calculer toute fonction de corrélation locale moyennée sur le désordre, et des calculs dans la limite de grand N sont présentés.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04009416 , version 1 (01-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04009416 , version 1

Citer

Maxime Debertolis. Study of quantum impurity problems in the framework of natural orbitals. Physics [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALY065⟩. ⟨tel-04009416⟩

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