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Subject: search.filters.subject.530Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Theoretische Physik IStart date: 2022End date: 2022

Search Results

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    Theory of yellow and green excitons in cuprous oxide with emphasis on correction terms and external fields
    (2022) Rommel, Patric; Main, Jörg (Prof. Dr.)
    Cuprous oxide has played a central role in the history of exciton physics, being the semiconductor where excitons were first experimentally discovered. Excitons formed from an electron in its lowest conduction band and a hole from its the highest valence band belong to the yellow exciton series. Recently, optical absorption experiments have followed this series up to principal quantum number n = 25 [T. Kazimierczuk et al., Nature 514, 343 (2014)]. This opens up possibilities for novel applications using the particular attributes of highly excited Rydberg system, for example in quantum information processing. For this, the properties of the excitons have to be understood thoroughly. In this thesis, we aim to advance the theoretical knowledge of the yellow and green exciton series in cuprous oxide. We use numerical simulation and analytical methods to investigate in detail the exchange splitting of the S states, the fine structure splitting of the D excitons, spectra in external magnetic fields in Faraday and Voigt configuration, second harmonic generation in forbidden directions, and autoionizing spectra in external electric and parallel magnetic and electric fields. For the latter, we apply the complex-coordinate-rotation method, which we then further use to calculate the green exciton resonances lying in the yellow continuum. We present absorption spectra for transitions from the crystal ground state and for interseries transitions from the yellow to the green series.
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    Einfluss der Spin-Bahn-Kopplung auf die Abstandsverteilung der Exzitonenzustände in Kupferoxydul
    (2022) Schönleber, Marco
    In der Festkörperphysik werden die Energien der Elektronen durch Bänder beschrieben. Dabei ist es möglich, ein einzelnes Elektron so anzuregen, dass es vom Valenz- ins Leitungsband übergeht. Die entstehende Coulombwechselwirkung zwischen dem im Valenzband verbliebenen Loch und dem angeregten Elektron führt zur Ausbildung wasserstoffartiger, gebundener Zustände, die als Exzitonen bezeichnet werden. Die in den 1930er Jahren theoretisch beschriebenen Zustände konnten in den 1950er Jahren zum ersten Mal nachgewiesen werden. Das dabei verwendete Kupferoxydul stellt ein besonders interessantes Material zur Untersuchung von Exzitonen dar. Nicht nur war es das erste Material in dem Exzitonen nachgewiesen wurden, in der jüngeren Vergangenheit konnten auch Zustände sehr hoher Hauptquantenzahlen experimentell aufgelöst werden. Die theoretische Beschreibung der Exzitonen für diesen Festkörper ist folglich von gesteigertem Interesse. Diese ist im Vergleich zum Wasserstoffatom jedoch deutlich komplexer, da der Kristall nur eine Oh-Symmetrie besitzt. Es müssen also sowohl die Bandstruktur als auch die Interaktion zwischen den Zuständen die aus unterschiedlichen Bändern gebildet werden in die Berechnung der Spektren einfließen, wodurch chaotische Strukturen ermöglicht werden. In vorangegangenen Arbeiten wurde bereits untersucht, wie sich die Verteilung der Zustände unter Einfluss von äußeren elektrischen und magnetischen Feldern verhält. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Verteilung der Abstände einem Muster folgt, das aus der theoretischen Beschreibung des Quantenchaos bekannt ist. Hierfür wurden skalierte Spektren unter Variation eines Kontrollparameters untersucht, der die Stärke der angelegten Felder bestimmt. Vor kurzem wurde zudem untersucht, welchen Einfluss die Wechselwirkung der über unterschiedliche Bänder bestimmten Exzitonenserien auf die Spektren im Vergleich zur semiklassisch bestimmten Dynamik haben. Hierbei wurde zur Skalierung ein Kontrollparameter eingeführt, der die Stärke der Ankopplung zwischen den Exziton-Serien reguliert, die aus Elektronen aus dem niedrigsten Leitungsband und den beiden über einen Quasispin beschriebenen Valenzbändern gebildet werden. In der vorliegenden Arbeit wird nun untersucht, welchen Einfluss diese skalierte Spin-Bahn-Kopplung auf die Levelstatistik der Exzitonenzustände hat. Hierbei wird sowohl der entstehende Einfluss auf das Spektrum visualisiert als auch mit statistischen Methoden analysiert. Dabei wird die Nächster-Nachbar-Verteilung des Spektrums in Abhängigkeit von einem Kontrollparameter mithilfe einer Brody-Verteilung gefittet, welche einen Übergang von Poisson-Statistik zu GOE-Statistik beschreibt. Hierdurch wird untersucht, wie sehr das Spektrum auf reguläres oder chaotisches Verhalten hindeutet.
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    Multi-fidelity Bayesian machine learning for global optimization
    (2022) Kuchelmeister, Manuel
    The computational optimization and exploration of materials is a challenging task, due to the high dimensionality of the search space and the high cost of accurate quantum mechanical calculations. To reduce the number of costly calculations, the Bayesian Optimization Structure Search (BOSS) has been developed. BOSS combines sample-efficient active learning with Gaussian process regression. This work introduces several multi-fidelity approaches that can reduce the number of costly, accurate calculations even further by incorporating information from inexpensive but less accurate calculations. Using the intrinsic model of coregionalization, BOSS samples data from multiple atomistic calculations based on quantum chemistry (Gaussian16, using CCSD(T)), density-functional theory (FHI-aims, using a PBE-exchange correlation functional) and force fields (AMBER18). Multi-fidelity BOSS samples both, lower and higher-fidelity calculations, while maintaining CCSD(T) accuracy for the global minimum inference. We tested our new multi-fidelity approaches on a 4D alanine conformer search. There, multi-fidelity BOSS has reduced the computational cost, measured in CPU hours, by up to 90%. We found that the efficiency of the approaches depends mostly on the correlation and the computational cost difference between the fidelities. These tests serve as a benchmark for the great potential that multi-fidelity learning can have to reduce the cost of expensive structure-search problems.
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