Quantum Monte Carlo simulation of positrons in solids
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2017-10-03
Department
Major/Subject
Teoreettinen ja laskennallinen opintosuunta
Mcode
SCI3057
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
7+65
Series
Abstract
Positron annihilation spectroscopy is a non-destructive method used to extract information from atomic matter. It is particularly useful in characterizing open-volume defects and their complexes, which often determine the electronic, mechanical and thermal properties of the studied material. Experimental use of positron annihilation spectroscopy requires a strong theoretical background for drawing conclusions from the measurements and making a link between the atomic structures of the defects detected and the indirect information included in the measured spectra. While the widely used density functional theory enables efficient and practical modeling and provides rather reliable theoretical predictions, a demand for more accurate quantum many-body methods remains. Therefore the theoretical study of interacting electrons in a solid-state atomistic system with an included positron remains important. In this work, an implementation of a variational Monte Carlo simulation for positrons in periodic solids is presented. To the knowledge of the author, this is the first time such a method is used to model positron states and annihilation. First an overview to the theoretical study of many-body quantum phenomena and periodic solids is presented. Then relevant computational methods are discussed. The second part of the thesis focuses on the variational Monte Carlo method and a novel implementation for positrons in solids. Finally some results for positrons in solids calculated using the variational Monte Carlo method developed in this work are presented and analysed.Positroniannihilaatiospektroskopia on kokeellinen menetelmä, jolla voidaan kohdemateriaalia vahingoittamatta tutkia sen atomirakennetta. Erityisen tehokas se on havaitsemaan puutuvia atomeja, eli vakansseja, tai niiden kasautumia kiteisissä aineissa, mitkä puolestaan usein määrittävät materiaalien elektronisia, mekaanisia ja termisiä ominaisuuksia. Positroniannihilaatiospektroskopian kokeellinen käyttö tarvitsee vahvan teoreettisen taustatuen, jotta sen tuottamia tuloksia voidaan tulkita ja tehdä johtopäätöksiä havaittujen aineen atomivirheiden sekä mitatun spektrin tarjoaman epäsuoran informaation perusteella. Laajalti käytetyn tiheysfunktionaaliteorian tuottaessa usein luotettavia teoreettisia tuloksia löytyy edelleen kysyntää tarkemmalle monen hiukkasen kvanttitilojen laskemiselle. Näin ollen realistisissa kiteissä vuorovaikuttavien elektronien sekä niiden joukkoon upotetun positronin teoreettinen tutkimus on tärkeää. Tämä työ esittelee variaatio Monte Carlo -menetelmän käyttöä positronien simuloimiseen periodisessa aineessa. Tietääksemme tämä on ensimmäinen kerta, kun tämän kaltaista menetelmää on käytetty positroniannihilaation tai -tilojen mallinnuksessa. Aluksi esitetään yleiskatsaus monen hiukkasen kvantti-ilmiöiden sekä periodisten kiteiden teoriaan. Myös tarpeellisia laskennallisia menetelmiä teoreettisessa mallinnuksessa käydään läpi. Työn loppuosa käsittelee variaatio Monte Carlo menetelmää sekä siihen perustuvaa positronin mallinnuksen menetelmää. Lopuksi näytetään tuloksia positronien simulaatiosta työssä kehitetyllä Monte Carlo menetelmällä sekä analysoidaan niitä.Description
Supervisor
Tuomisto, FilipThesis advisor
Makkonen, IljaKeywords
quantum physics, Monte Carlo, positron annihilation, material science
