A Constrained-Path Quantum Monte-Carlo approach for the Nuclear Shell Model
Approches Monte-Carlo quantiques à chemins contraints pour le modèle en couches nucléaire
Résumé
The shell model is a powerful theoretical framework for studying the nuclear structure. Unfortunately, the exponential scaling of the many-body space with the number of nucleons or the number of valence levels strongly restricts its applicability. The Quantum Monte-Carlo (QMC) methods may then be considered as a possible alternative to the direct diagonalization of the Hamiltonian. They are based on a stochastic reformulation of the Schrödinger equation to reduce the many-body problem to a set of one-body problems, numerically tractable, describing independent particles that evolve in fluctuating external fields. The originality of the QMC scheme proposed in the present thesis is the use of a variational approach, with symmetry restoration before variation, to guide the Brownian motion and to constrain it in order to control the sign/phase problem that generally occurs in the QMC samplings for fermions. The "yrast" spectroscopy we obtain for sd- and fp-shell nuclei with realistic residual interactions agree remarkably well with the results from an exact diagonalization of the Hamiltonian. Moreover, an openness towards strongly correlated electronic systems is presented through new QMC schemes recently developed for the two-dimensional Hubbard model. In contrast with the traditional samplings, they guarantee positive-weighted trajectories regardless the on-site interaction strength or the doping of the lattice. We demonstrate that these schemes are in fact related to the stochastic approach applied to the nuclear shell model. The origin of the systematic errors that emerge in these methods, although free from sign/phase problem with the Hubbard Hamiltonian, is also discussed.
Le modèle en couches constitue aujourd'hui un cadre théorique de référence pour appréhender les propriétés des noyaux à basse énergie. Son applicabilité demeure toutefois limitée par une croissance rédhibitoire de la dimension de l'espace des états aussi bien avec le nombre de couches de valence qu'avec le nombre de nucléons. Les méthodes Monte-Carlo quantiques (QMC) permettent a priori de contourner une telle difficulté en offrant une alternative à la diagonalisation du hamiltonien. Elles reposent sur une reformulation stochastique de l'équation de Schrödinger qui ramène le problème à N-corps à un ensemble de problèmes à un corps, numériquement solubles, et décrivant des particules indépendantes évoluant chacune dans un champ extérieur fluctuant. L'originalité de l'échantillonnage QMC proposé dans ce mémoire réside dans l'utilisation d'une approche variationnelle, avec restauration des symétries avant variation, pour guider le mouvement brownien et pour le contraindre afin de contrôler le problème de phase inhérent aux schémas QMC pour des fermions en interaction. Dans les couches sd et fp et avec les interactions résiduelles réalistes, nous avons ainsi pu obtenir une spectroscopie " yrast " en excellent accord avec les résultats issus de la diagonalisation du hamiltonien. En outre, une ouverture vers les systèmes d'électrons fortement corrélés est présentée au travers de nouveaux schémas QMC récemment suggérés pour le modèle de Hubbard en géométrie bidimensionnelle. Contrairement aux échantillonnages traditionnels, ils garantissent des trajectoires à poids positifs quel que soit le régime considéré. Nous avons prouvé que ces méthodes sont en réalité reliées à l'approche stochastique mise en oeuvre pour le modèle en couches. L'origine des erreurs systématiques qu'exhibent ces schémas, pourtant exempts de problème de signe avec le hamiltonien de Hubbard, est par ailleurs élucidée.
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