Antoine Georges, président du Département de physique de l’École polytechnique de 2006 à 2009, Médaille d’argent du CNRS en 2007, a donné sa leçon inaugurale le 8 octobre 2009. Son cours intitulé « Des oxydes supraconducteurs aux atomes froids : la matière à fortes corrélations quantiques » a commencé le 5 mai 2010.
Cours et séminaires : l'enseignement n'a pas eu lieu (année sabbatique). reCherChe -matière quantique à fortes CorrélationsLes recherches menées dans l'équipe concernent la « matière quantique à fortes corrélations ».Il s'agit de systèmes constitués d'un très grand nombre de particules indiscernables (les électrons d'un solide ou les atomes d'un gaz ultra-froid par exemple) ayant entre elles de fortes interactions.Pour ces systèmes, une description théorique en termes de fonctions d'ondes indépendantes est insuffisante.Le développement de nouvelles méthodes théoriques, analytiques et computationnelles, permettant de comprendre la physique de ces systèmes est au cœur des activités de notre équipe, ainsi que les applications de ces méthodes à des questions de physique des matériaux ou aux propriétés d'autres systèmes quantiques en interaction.En 2017-2018, les principales directions poursuivies au sein de ce domaine général ont été les suivantes.1) déVeloppements alGorithmiques Développement de nouvelles méthodes de « Monte-Carlo diagrammatique » : M. Ferrero, thèse en cours d'Alice Moutenet et collaboration avec l'équipe d'O.Parcollet IPhT-CEA Paris-Saclay et CCq-Flatiron Institute, New York).Notre équipe (M.Ferrero) participe au développement de la librairie de codes open-source TRIqS « Toolbox for Research on Interacting quantum Systems 1 ». 1.
La physique de la matière condensée est une banche de la mécanique quantique qui étudie les grandes assemblées de particules quantiques en interaction. Elle a germée à partir de la physique de l'état solide : l'étude de la mer d'électrons contenue dans un métal fut le premier exemple des difficultés rencontrées par le théoricien voulant prédire le comportement d'une telle myriade de particules quantiques. Le domaine fut rapidement enrichi par de nombreux autres modèles, décrivant d'autres types de matière quantique, depuis le magnétisme jusqu'à la supraconductivité, les matériaux de Dirac et les fluides de lumière quantique. Toutes ces applications apparemment différentes se retrouvent unies par l'aspect essentiel du problème à N-corps quantique : l'interaction d'un grand nombre de particules élémentaires, électrons, photons, moments magnétiques, conduit à l'émergence de phénomènes collectifs, comme les quasi-particules ou les transitions de phase. Comme l'écrivait Anderson, "more is different".Ces dernières années, d'importantes avancées technologiques dans la nanofabrication de circuits supraconducteurs ont permis de recréer tous les ingrédients d'un système de matière condensée dans un dispositif expérimental finement contrôlé. Les particules quantiques sont émulées par les excitations du circuit, tandis que la cohérence quantique est maintenue par l'absence de dissipation de l'état supraconducteur autant que par les basses températures employées, aux environs de la dizaine de milliKelvins. Enfin, les interactions sont suscitées par effet Josephson, une conséquence de la rigidité de la phase supraconductrice à travers une barrière tunnel, qui introduit des non-linéarités dans le circuit. Une telle plateforme expérimentale est appelée un simulateur quantique.Cette thèse a été motivée par la nécessité de revoir certains modèles d'impuretés bien connus, modèle spin boson et modèle sine-Gordon à bord, à l'aune de leur implémentation récente sous forme de circuits supraconducteurs. Commençant par une modélisation complète d'un circuit microscopique générique, nous formulons un nouvel Hamiltonien prenant en compte la structure multi-niveaux des qBits de charge, et que nous baptisons l'Hamiltonien charge boson. Celui-ci ne se réduit aux modèles standards de la littérature que dans certaines limites que nous précisons. Nous traçons son diagramme de phase complet à l'aide du groupe de renormalisation numérique, et explorons ses régions expérimentalement pertinentes par des outils théoriques nouvellement créés.Un aspect frappant du modèle charge boson est que le nombre de paires de Cooper occupant l'îlot supraconducteur de l'impureté est un entier, ou bien de façon équivalente que sa phase supraconductrice est compacte. Nous présentons un ansatz variationnel, que nous appelons l'ansatz compact, pour étudier la pertinence de cet aspect granulaire de la charge. Cela nous a permis de décrire la disparition des effets compacts dans le régime suramorti à fort couplage.Il est possible de court-circuiter le couplage capacitif de l'impureté à son environnement, pour atteindre ce régime d'interaction forte, que la décompactification protège du bruit de charge. Le circuit se réduit alors à simuler le fameux modèle sine-Gordon à bord. Des expériences récentes on sondé la réponse dissipative d'un tel circuit, qui présente une section efficace inélastique spectaculairement élevée. Armé d'un modèle microscopique détaillé du système, nous montrons que la fréquence plasma introduit une coupure ultraviolette qui supprime les lois de puissance anormales de la réponse dissipative, bien connues par l'étude des liquides de Luttinger. Enfin, une technique diagrammatique auto-cohérente, entreprise à température finie, a permis de démontrer comment une réponse dissipative lisse en fréquence peut émerger d'un système de taille mésoscopique, par surpopulation de résonances multi-photons assistée par excitations thermiques.
REE N°4/2012 ◗ 71 les atomes froids Frederic Chevy Ecole normale superieure Xavier Leyronas Universite Pierre et Marie Curie Laurent Sanchez-Palencia Centre National de la Recherche Scientifique Ecole Polytechnique Introduction Qu’il s’agisse des semi-conducteurs qui forment le cœur des dispositifs electroniques modernes ou de la magnetoresistance geante qui a permis des progres im- portants dans le stockage de l’information et qui a valu a A. Fert le prix Nobel en 2007, l’explosion des tech- nologies de l’information n’aurait pas ete possible sans la decouverte incessante de nouveaux materiaux et la comprehension fine de leurs proprietes electroniques. Les proprietes macroscopiques de la matiere, comme la conductivite electrique, ne peuvent etre comprises que grâce a la mecanique quantique qui regit le comportement des electrons et des atomes a l’echelle microscopique. Durant le XXe siecle, les cher- cheurs sont parvenus a isoler un certain nombre de paradigmes permettant de comprendre une grande variete de phenomenes physiques (Pourquoi y-a-t-il des conducteurs, des isolants et des semi-conduc- teurs ? Pourquoi certains mate
Les physiciens savent produire des gaz à quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu. Les méthodes de refroidissement s’appliquent non seulement aux atomes mais aussi aux ions et aux molécules. Ce domaine de recherche a été couronné deux fois par le prix Nobel. Il s’est extraordinairement enrichi depuis que l’on sait faire varier à volonté les interactions entre les particules et piéger celles-ci avec des pinces optiques ou dans des réseaux optiques à la géométrie ajustable. On édifie ainsi des cristaux artificiels formés d’atomes ou de molécules qui peuvent simuler la structure de la matière et élucider certaines de ses propriétés magnétiques, avec la perspective d’expliquer un jour la supraconductivité à haute température. Le phénomène d’intrication quantique est à la base de nouveaux dispositifs pour le stockage et la transmission de l’information quantique. Des progrès spectaculaires sont constamment enregistrés en métrologie. Ainsi des horloges à atomes ou à ions ultrafroids mesurent le temps à mieux qu’une seconde sur la durée de l’Univers. Des gravimètres et gyromètres industriels d’un type nouveau améliorent la sensibilité de la sismologie et la navigation dans l’espace. En outre, l’extrême précision des mesures permet de tester les lois fondamentales de la physique, par exemple l’électrodynamique quantique, l’invariance de Lorentz ou les éventuelles variations des constantes fondamentales. Le domaine des particules ultrafroides rejoint aujourd’hui ceux de la matière condensée, de la chimie et même de la cosmologie. Robin Kaiser est directeur de recherche CNRS à l’Institut de physique de Nice à l’université de la Côte d’Azur. Michèle Leduc est directrice de recherche CNRS émérite au Laboratoire Kastler-Brossel à l’École normale supérieure à Paris. Hélène Perrin est directrice de recherche au Laboratoire de physique des lasers à l’université Sorbonne Paris Nord.
Ce livre a reçu une Mention Spéciale du Jury du Prix Roberval 2022, dans la catégorie 'Enseignement supérieur’.Les physiciens savent produire des gaz à quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu. Les méthodes de refroidissement s’appliquent non seulement aux atomes mais aussi aux ions et aux molécules. Ce domaine de recherche a été couronné deux fois par le prix Nobel.Il s’est extraordinairement enrichi depuis que l’on sait faire varier à volonté les interactions entre les particules et piéger celles-ci avec des pinces optiques ou dans des réseaux optiques à la géométrie ajustable. On édifie ainsi des cristaux artificiels formés d’atomes ou de molécules qui peuvent simuler la structure de la matière et élucider certaines de ses propriétés magnétiques, avec la perspective d’expliquer un jour la supraconductivité à haute température.Le phénomène d’intrication quantique est à la base de nouveaux dispositifs pour le stockage et la transmission de l’information quantique.Des progrès spectaculaires sont constamment enregistrés en métrologie. Ainsi des horloges à atomes ou à ions ultrafroids mesurent le temps à mieux qu’une seconde sur la durée de l’Univers. Des gravimètres et gyromètres industriels d’un type nouveau améliorent la sensibilité de la sismologie et la navigation dans l’espace.En outre, l’extrême précision des mesures permet de tester les lois fondamentales de la physique, par exemple l’gyromètres industriels ou les éventuelles variations des constantes fondamentales. Le domaine des particules ultrafroides rejoint aujourd’hui ceux de la matière condensée, de la chimie et même de la cosmologie.Préface par Alain Aspect, Prix Nobel de Physique 2022Robin Kaiser est directeur de recherche CNRS à l’Institut de physique de Nice à l’université de la Côte d’Azur.Michèle Leduc est directrice de recherche CNRS émérite au Laboratoire Kastler-Brossel à l’École normale supérieure à Paris.Hélène Perrin est directrice de recherche au Laboratoire de physique des lasers à l’université Sorbonne Paris Nord.
La compréhension de la supraconductivité à haute température critique exhibée par certains oxydes de métaux de transition demeure une question centrale en physique théorique de la matière condensée. Dans ce contexte et depuis la proposition historique de P. W. Anderson, le modèle de Hubbard répulsif en géométrie bidimensionnelle est devenu un paradigme pour tenter de capturer les propriétés essentielles des matériaux supraconducteurs non conventionnels. Cependant, la détermination de son état fondamental exact se heurte à la complexité exponentielle du problème quantique à N-corps. Dans cette thèse, nous poursuivons l’objectif de développer un schéma variationnel d’approximation s’affranchissantde toute hypothèse concernant les ordres magnétiques, de charge ou supraconducteurs susceptibles d’émerger de l’Hamiltonien à basse énergie. L’approche trouve son originalité dans l’introduction de corrélations par la restauration, avant variation, de symétries délibérément brisées dans un état d’essai en forme d’une superposition de fonctions d’onde versatiles de type Hartree-Fock et Bogoliubov-de Gennes. Pour des petits amas à deux etquatre sites, nous montrons analytiquement que cette méthode de champ moyen enchevêtré par les symétries de l’Hamiltonien permet de retrouver l’état fondamental exact quelle que soit l’intensité des interactions. Pour de plus grands réseaux dopés en trous et dans les régimes fortement corrélés, nous mettons en exergue un arrangement des moments magnétiques en spirale ou suivant une onde de densité de spin qui est alors accompagnée d’inhomogénéités sous forme de rayures périodiquement réparties. De tels ordres sont de plus entrelacés avec des corrélations d’appariement en onde d à longue distance qui, à la limite thermodynamique, signent la supraconductivité. Ces résultats sont obtenus grâce à des simulations systématiques dans une géométrie de tubes de plaquettes pouvant être réalisée expérimentalement à l’aide d’atomes froids piégés dans des réseaux optiques.