Quantum mechanics on graphs utilizes to a great extent the knowledge and methods
of linear algebra and matrix theory. In this work we illustrate the connections between
the above fields and demonstrate, among others, that those purely mathematical dis ciplines can draw inspiration from the theory of quantum graphs.
The thesis consists of three main chapters. In the first of them, we introduce
a series of original results concerning scattering properties of vertices in quantum
graphs. We find a nontrivial parametric family of vertex couplings whose reflection
and transmission probabilities are indistinguishable from those of the free coupling,
and we introduce couplings with permutation-symmetric scattering probabilities.
Then we construct two exotic types of couplings in vertices of degrees 3 and 4 such
that the transmission probabilities depend in a remarkable way on an external poten tial, which thus allows to control the passage of electrons through the vertex. Finally,
we introduce a parametric family of couplings that continuously interpolate between
the δ coupling and a certain recently discovered rotationally symmetric coupling with
anomalous spectral properties.
These results are followed by a study of two special matrix families. At first we ex amine the existence and construction of Hermitian unitary matrices whose diagonal
entries have absolute value r ≥ 0 and off-diagonal entries have absolute value t > 0.
Then we focus on the family of circulant matrices with the value d ≥ 0 on the diago nal, 1 or −1 off the diagonal and with mutually orthogonal rows. If d ≥ 0 is even, we
prove that such matrices exist only of order 2d + 2. This is a generalization of a classi cal theorem saying that circulant conference matrices (case d = 0) exist only of order
2 [Stanton and Mullin 1976]. For any d ≥ 0 we disprove the existence of a symmet ric matrix of the given type of order n > 2d + 2, which generalizes another classical
theorem [Johnsen 1964] about the nonexistence of a symmetric circulant Hadamard
matrix of order n > 4.
In the last part of the thesis we address spectral properties of periodic quantum
graphs. We examine a square lattice with a general coupling in the vertices, a dilated
honeycomb network with the δ coupling, and finally we focus on a rectangular lat tice with the δ coupling in the vertices, for which we examine in detail the number
of spectral gaps. After recalling the Bethe–Sommerfeld conjecture, we present one
of the main achievements in this thesis, namely, the proof of existence of a periodic
quantum graph featuring a finite nonzero number of gaps in the spectrum.
en
dc.language.iso
en
en
dc.publisher
ČVUT. Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská.
cze
dc.title
Algebraic Problems in Quantum Mechanics on Graphs
en
dc.type
habilitation thesis
en
dc.type
habilitační práce
cze
theses.degree.grantor
České vysoké učení technické v Praze. Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská.
cze
dc.description.abstract-translated
Kvantová mechanika na grafech využívá významným způsobem poznatky a metody
lineární algebry a teorie matic. V této práci souvislosti mezi jmenovanými oblastmi
názorně demonstrujeme a mimo jiné ukážeme, že tyto ryze matematické disciplíny
mohou samy čerpat inspiraci z teorie kvantových grafů.
Práce sestává ze tří stěžejních kapitol. V první z nich představíme řadu originál ních výsledků týkajících se rozptylových vlastností vrcholů v kvantových grafech. Na lezneme netriviální parametrickou třídu vazeb, které se pravděpodobnostmi odrazu a
rozptylu neliší od volné vazby, a představíme vazby s permutačně symetrickými prav děpodobnostmi rozptylu. Sestrojíme dva exotické typy vazeb ve vrcholech stupně 3 a
4, pro něž jsou pravděpodobnosti průchodu významným způsobem závislé na vněj ším potenciálu, který tak umožňuje regulovat průchod elektronů skrze vrchol. Kapi tolu uzavřeme představením parametrické třídy vazeb, které spojitě interpolujímezi δ
vazbou a jistou nedávno objevenou rotačně symetrickou vazbou s neobvyklými spek trálními vlastnostmi.
Na tyto výsledky navážeme studiem dvou speciálních tříd matic. Nejprve pro zkoumáme existenci a konstrukci hermitovských unitárních matic, jejichž diagonální
prvky mají absolutní hodnotu r ≥ 0 a mimodiagonální prvky mají absolutní hodnotu
t > 0. Poté se zaměříme na množinu cirkulantních matic s hodnotou d ≥ 0 na di agonále, 1 nebo −1 mimo diagonálu a s navzájem ortogonálními řádky. Je-li d ≥ 0
sudé, dokážeme, že dané matice existují pouze řádu 2d + 2. Tím získáme zobecnění
známého tvrzení, že cirkulantní konferenční matice (případ d = 0) existují jen řádu
2 [Stanton a Mullin 1976]. Pro libovolné d ≥ 0 vyvrátíme existenci symetrické matice
tohoto typu řádu n > 2d + 2, čímž zobecníme další klasický výsledek [Johnsen 1964]
o neexistenci symetrické cirkulantní Hadamardovy matice řádu n > 4.
V poslední části práce se budeme věnovat spektrálním vlastnostem periodických
kvantových grafů. Probereme postupně čtvercovou mřížku s obecnou vazbou ve vr cholech, deformovanou šestiúhelníkovou mřížku s δ vazbou a nakonec se zaměříme
na obdélníkovou mřížku s δ vazbou ve vrcholech, pro niž budeme podrobně zkoumat
počet spektrálních mezer. Po připomenutí Bethe–Sommerfeldovy hypotézy předsta víme jeden z hlavních výsledků této práce, jímž je důkaz existence periodického kvan tového grafu s konečným nenulovým počtem mezer ve spektru.