Fortgeschrittene Methoden in der Quanten-Vielteilchenphysik
Advanced Methods in Quantum Many-Body Theory

Modul PH2297

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom SS 2022 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

Ob die Lehrveranstaltungen des Moduls in einem spezifischen Semester angeboten werden, finden Sie im Abschnitt Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise unten.

verfügbare Modulversionen
SS 2022SS 2021SS 2020

Basisdaten

PH2297 ist ein Semestermodul in Englisch auf Master-Niveau das im Sommersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Spezifischer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie
  • Fokussierungsrichtung Theoretische Quantenwissenschaften & -technologien im M.Sc. Quantum Science & Technology
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Biophysik
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Applied and Engineering Physics
  • Spezialisierung im Elitemasterstudiengang Theoretische und Mathematische Physik (TMP)

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
300 h 90 h 10 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2297 ist Johannes Knolle.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

The course will cover a number of advanced topics in theoretical quantum many-body physics. It will consist of four main parts:

1. Introduction to the thermodynamics and out-of-equilibrium properties of 1d quantum integrable models:

    •The Bose gas and its non-interacting points: the strongly repulsive limit and its fermionization.
    • Quantum quenches, lack of thermalization and relazation to the Generalized Gibbs Ensemble: the example of the 1d Bose gas.
    • Emergent hydrodynamics in integrable models.

2. Quantum Spin Liquids:

    • Introduction to group theory, lattice gauge theory, and projective symmetry group (PSG) theory
    • Projective construction of quantum spin liquids using PSG. Example: Kitaev honeycomb model.
    • Beyond mean-field theory: Guztwiller projection.

3. Phenomenological theory of topological superconductivity:

    • Short review about BCS theory and pairing order parameters
    • Group theory
    • Ginzburg-Landau theory
    • Gorkov equation and path integral
    • Topological aspects of superconductivity

4. Quantum criticality in itinerant magnetic systems:

    • Short review about critical phenomena and Wilsonian renormalization group
    • Stoner theory of itinerant magnetism
    • Wilson-Fisher fixed point of the \phi^4 theory
    • Hertz-Millis-Moriya theory and its breakdown

Lernergebnisse

• Learning exact techniques to study integrable models out of equilibrium, with emphasis on transport and hydrodynamics.

• Becoming acquainted with the 1d interacting Bose gas, a paradigmatic model for cold atom experiments.

• Construct a mean-field theory for quantum spin liquids using PSG and then solve this mean-field theory self-consistently.

• Construct a free energy of multicomponent-superconductivity and then connect the free energy with microscopic details.

• Perform the RG analysis of itinerant ferromagnetism and calculate the critical exponents.

Voraussetzungen

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Kenntnisse in Quantenvielteilchenphysik und Statististischer Mechanik 2 sind hilfreich.

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)TermineLinks
VO 4 Advanced Methods in Quantum Many-Body Theory Knolle, J.
Mitwirkende: Bastianello, A.Jin, H.Sim, G.Xu, W.
Mo, 16:00–18:00, PH 3344
Di, 16:00–18:00, PH 2224
eLearning
UE 2 Exercise to Advanced Methods in Quantum Many-Body Theory Bastianello, A. Jin, H. Sim, G. Xu, W.
Leitung/Koordination: Knolle, J.
einzelne oder verschobene Termine
sowie Termine in Gruppen

Lern- und Lehrmethoden

The lecture is designed for the presentation of the subject, usually by blackboard presentation. The focus resides on theoretical foundations of the field, presentation of methods and simple, illustrative examples. Command of basic methods is deepened and practised through homework problems, which cover important aspects of the field. The homework problems should develop the analytic skills of the students and their ability to perform calculations. The homework problems are discussed in the exercise classes by the students themselves under supervision in order to develop the skills to explain a physics problem logically.

Medienformen

Blackboard lectures, written notes for download, exercise sheets, course homepage

Literatur

• An introduction to integrable techniques for one-dimensional quantum systems, F. Franchini https://arxiv.org/abs/1609.02100

• Lecture notes on Generalized Hydrodynamics, B. Doyon SciPost Phys. Lect. Notes 18 (2020)

• Quantum field theory of many-body systems. Xiao-Gang Wen

• Anyons in an exactly solved model and beyond. Alexei Kitaev

• Quantum orders and symmetric spin liquids. Xiao-Gang Wen

• Group Theory and Quantum Mechanics. Michael Tinkham

• Physics of projection wavefunctions. Claudius Gros

• Introduction to Unconventional Superconductivity, V.P. Mineev and K.V. Samokhin

• Introduction to Unconventional Superconductivity, M. Sigrist

• Superconducting classes in heavy-fermion systems, G. E. Volovik and L. P. Gorkov

• Aspects of Topological Superconductivity, M. Sigrist

• Lecture Notes on Electron Correlation and Magnetism, P. Fazekas

• Lecture Notes on Electron Correlation and Magnetism, P. Fazekas

• Quantum Field Theory in Strongly Correlated Electronic Systems, N. Nagaosa

• Condensed Matter Field Theory, A. Altland and B. Simons

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

The achievement of the competencies given in section learning outcome is tested exemplarily at least to the given cognition level using presentations independently prepared by the students. The exam of 25 minutes consists of the presentation and a subsequent discussion.

For example an assignment in the exam might be:

  • Sketch the derivation of the (standard phase space) TWA from the Keldysh path integral.
  • Describe the main steps of the discrete (or cluster) truncated Wigner approximation for a spin-1/2 chain.
  • Sketch the derivation of the diagonalization of the Hamiltonian of the XXZ chain using Algebraic Bethe Ansatz.
  • Calculate the ground state from the Bethe equations.
  • Explain why we can use emergent hydrodynamics to study integrable models
  • Argue how to solve the algebraic PSG for square lattice antiferromagnetic Heisenberg model
  • Sketch how to solve the Kitaev honeycomb model using projective construction
  • Explain the energetical stabilization of specific pairing

Participation in the exercise classes is strongly recommended since the exercises prepare for the problems of the exam and rehearse the specific competencies.

There will be a bonus (one intermediate stepping of "0,3" to the better grade) on passed module exams (4,3 is not upgraded to 4,0). The bonus is applicable to the exam period directly following the lecture period (not to the exam repetition) and subject to the condition that the student passes the mid-term of active participation in the tutorials and at least 70% of exercise points

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

Aktuell zugeordnete Prüfungstermine

Derzeit sind in TUMonline die folgenden Prüfungstermine angelegt. Bitte beachten Sie neben den oben stehenden allgemeinen Hinweisen auch stets aktuelle Ankündigungen während der Lehrveranstaltungen.

Titel
ZeitOrtInfoAnmeldung
Prüfung zu Fortgeschrittene Methoden in der Quanten-Vielteilchenphysik
Mo, 18.9.2023 bis 23:55 Dummy-Termin. Wenden Sie sich zur individuellen Terminvereinbarung an die/den Prüfer(in). Anmeldung für Prüfungstermin zwischen 18.09.2023 und 21.10.2023. // Dummy date. Contact examiner for individual appointment. Registration for exam date between 2023-Sep-18 and 2023-Oct-21. bis 17.9.2023
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