Application de la theorie de la basonisation a l'etude des proprietes a basse temperature du modele spin-fermion unidimensionnel, dont la contrepartie bidimensionnelle decrit le plan Cu-O des supraconducteurs a haute temperature. Caracterisation des fonctions reponse des ondes de densite de charge, ondes de densite de spin, supraconductivite et antiferromagnetisme
Application de la theorie de la basonisation a l'etude des proprietes a basse temperature du modele spin-fermion unidimensionnel, dont la contrepartie bidimensionnelle decrit le plan Cu-O des supraconducteurs a haute temperature. Caracterisation des fonctions reponse des ondes de densite de charge, ondes de densite de spin, supraconductivite et antiferromagnetisme
Dans cette these nous etudions des effets d'orbitale sur les systemes de fermions fortement correles a basse dimension; nous considerons plus specifiquement deux modeles, a savoir la chaine CuO et l'echelle CU2O5, representatifs des modeles a plusieurs atomes ou molecules par maille unidimensionnelle. Pour le modele de la chaine CuO demi-remplie et faiblement dopee, nous obtenons des comportements distincts des fonctions de correlation en fonction de la nature du site. Cette difference entre les comportements sur le site du cuivre et de l'oxygene change en fonction de la temperature, du gap de charge et du dopage. Nous deduisons de cette etude un scenario pour le deplacement de Knight K et pour le temps de relaxation T1 associes a des mesures de RMN. Ce scenario ressemble a ce qui est observe dans les supraconducteurs a haute temperature critique: le comportement en temperature des deplacements de Knight sur le cuivre et sur l'oxygene est identique, en revanche le comportement en temperature des temps de relaxation est distinct. Il s'agit d'un effet d'orbitale qui se produit dans le cadre de la theorie des liquides de Luttinger et de Luther-Emery et qui est impossible a deduire dans le contexte de la theorie d'un liquide de Fermi. Pour le modele de l'echelle CU2O5, l'inclusion de la structure interne se traduit par un modele bosonique effectif qui ne s'integre pas dans la classe des echelles extensivement etudiees jusqu'a present, du fait d'une asymetrie qui leve la degenerescence des deux canaux 0 et pi au niveau des densites bosoniques. Dans la limite des faibles interactions locales nous etablissons un diagramme de phase en fonction de l'asymetrie. Il met en evidence l'existence d'autres phases a cote de la phase habituelle de la supraconductivite de symetrie d.
La première partie de cette thèse traite des chaînes de spins quantiques. On étudie tout d'abord des systèmes de spins quantiques qui sont reliés de façon continue à la chaîne de Heisenberg s=1. La construction d'un modèle sigma non-linéaire permet d'estimer le gap de ces systèmes. On étudie ensuite une chaîne de spins s=1/2 dopée par des impuretés non-magnétiques possédant un spin nucléaire. A l'aide de techniques de bosonisation, on calcule analytiquement le temps de relaxation longitudinal d'une impureté en fonction de la température, corrections logarithmiques incluses. Ce type d'analyse est également mené sur un liquide de Luttinger chiral, modélisant par exemple un demi-fil quantique. La deuxième partie est consacrée aux systèmes désordonnées en basse dimension. Des liens formels sont éclaircis entre modèle désordonné sur réseau, fermions de Dirac en milieu aléatoire, chaînes de spins supersymétriques non-compactes et modèle sigma non-linéaire. Le détail des calculs est donné sur l'exemple de la transition entre plateaux de l'effet Hall quantique entier. On calcule ensuite exactement les densités d'états et les longueurs de localisation typiques d'un fermion de Dirac en dimension 1 dans des potentiels aléatoires de différentes natures. De nombreux modèles de théorie de la matière condensée, comme par exemple la chaîne XX désordonnée, se ramènent à ce système. Puis nous étudions les fermions de Dirac en dimension 2 en milieu aléatoire. Plus particulièrement, nous analysons le cas de fermions en masse aléatoire. Ce modèle décrit les excitations de basse énergie d'un supraconducteur d'onde d dont les impuretés sont magnétiques. Un diagramme de phase est proposé. Il s'articule autour du point tricritique des fermions de Dirac libres et fait apparaître une phase métallique thermique inattendue.
Etablissement du diagramme de phase de bosons bidimensionnels avec couplage spin-orbite Cette thèse est dédiée à l'étude théorique de phases exotiques dans un gaz dilué de bosons avec deux composantes (spins) en présence d'un couplage spin-orbite (SOC) entre ces deux états internes. En ajoutant ce dernier couplage à une description de type champs classiques de notre système, nous montrons que cette méthode permet de prédire le diagramme de phase à température finie de manière quantitative, efficace et fiable. Notre étude porte particulièrement sur un système de bosons bidimensionnels avec SOC dont nous dessinons le diagramme de phase en fonction de l'anisotropie du couplage spin-orbite ainsi que des interactions. Dans le cas d'un SOC anisotrope, une transition de phase de type Berenzinskii-Kosterlitz-Thouless sépare une phase dite normale d'une phase superfluide à plus basse température. L'ordre des spins du quasi-condensat dans la phase superfluide est alors guidé par les interactions de contact dépendantes du spin. Elles favorisent l'apparition soit d'un état onde plane avec moment non-nul (PW) soit d'une superposition linéaire de deux ondes planes appelée état de bande (SP). Pour des interactions indépendantes du spin des particules, nos simulations indiquent une fractionalisation du quasi-condensat. Les états PW et SP restent alors dégénérés. Dans le cas d'un SOC isotrope, nos calculs n'indiquent aucune transition de phase à la limite thermodynamique et à température finie. Un changement de comportement non critique subsiste pour un nombre important mais fini d'atomes.
Apres une presentation introductive de l'effet kondo au travers de realisations experimentales recentes et une mise en perspective des forces et faiblesses des approches theoriques precedentes, une nouvelle limite de grand n est presentee pour le modele kondo multicanal, basee sur sa generalisation su(n) su(k). Ce modele est egalement etudie avec les theories de champ conforme a bords. On obtient ainsi une nouvelle methode de calcul des fonctions de correlations dans les trois regimes d'ecrantages de l'impurete qui leve les limitations des approches precedentes. De plus, cette methode peut etre mise en uvre pour une bande electronique quelconque, ce qui est crucial dans l'optique d'une etude des reseaux kondo par la methode de champ moyen dynamique. Le point de depart de la deuxieme partie de la these est le modele de spins quantiques d'heisenberg su(n) sur le reseau completement connecte, dans lequel les fluctuations quantiques sont assez fortes pour detruire le verre de spin meme a temperature nulle, pour les representations fermioniques du spin. Le dopage en porteurs de charge de cet isolant a pour effet de restaurer un liquide de fermi en deca d'une tres basse echelle de temperature. Cependant, le regime critique quantique de cette transition de mott est un metal incoherent dans lequel les fonctions de reponse a deux particules et les quantites de transports se comportent comme dans la phenomenologie du liquide de fermi marginal : en particulier, la dynamique de spin est lente, refletant le fait que le modele est un verre de spin fondu dope en trous. De plus, une discussion de la pertinence de ce modele de fondu pour decrire la phase normale d'au moins une classe de supraconducteurs a haute temperature critique est proposee. Enfin, dans l'optique de l'etude des phases de verres de spin quantiques du modele non dope pour des representations bosoniques du spin, les phases paramagnetiques sont completement caracterisees.
En dépit de son apparente simplicité et bien qu’il ait déjà été intensivement étudié dans des contextes très variés, le modèle de Hubbard bidimensionnel est encore très loin d’avoir livré tous ses mystères. En particulier lorsqu’il décrit une interaction moyenne à fortement répulsive, c’est-à-dire un régime mal adapté aux méthodes perturbatives, son état fondamental est encore méconnu. La découverte en 1986 d’une phase supraconductrice chez les oxydes de cuivre (cuprates), apparaissant à relativement haute température, a encore avivé l’intérêt pour ce modèle puisqu’il pourrait décrire les propriétés étonnantes de ces matériaux à structures planaires. Lorsque la densité électronique correspond à une bande de valence demi remplie, le modèle de Hubbard est en effet connu pour rendre parfaitement compte de la phase antiferromagnétique obtenue expérimentalement chez les cuprates et il est probable qu’il en soit de même pour la phase supraconductive observée au-dessous d’une température critique, lorsque la densité électronique est modérément réduite en modifiant la composition du matériau (dopage). Si tel est le cas, cela signifie que seules les interactions électronique sont à l’origine de la supraconductivité, contrairement aux supraconducteurs conventionnels où l’interaction entre les électrons et les vibrations du réseau (phonons) est impliquée. Malheureusement, il existe pour l’heure peu de résultats indiscutables venant étayer cette hypothèse et la question est encore largement débattue. Dans cette thèse, la méthode variationelle est mise à profit pour tenter d’apporter une réponse claire concernant la possibilité d’un état fondamental supraconducteur pour le modèle de Hubbard répulsif. Bien que la fiabilité de ses résultats soit conditionnée par le choix d’une fonction variationelle adéquate, cette méthode est tout spécialement adaptée au régime approprié pour les cuprates, c’est-à-dire à une interaction intermédiaire. L’optimisation d’une fonction variationelle élaborée permet d’approcher de très près l’état fondamental exact, ce qui n’était pas le cas des fonctions variationelles connues jusqu’ici. En fait, la considération de petits systèmes rend accessible une solution exacte, qui indique que l’erreur commise dans notre calcul est trop faible pour influencer qualitativement nos résultats. Ceux-ci montrent qu’une phase antiferromagnétique est favorable au demi remplissage et d’une phase supraconductrice émerge lorsque la densité électronique diminue, avec un paramètre d’ordre possédant une symétrie onde-d. Toutes les caractéristiques principales propres aux oxydes de cuivre sont donc retrouvées pour l’état fondamental variationel du modèle de Hubbard répulsif. Des similitudes remarquables sont aussi observées au niveau quantitatif lorsque les propriétés de cet état fondamental sont comparées aux données expérimentales obtenues pour les cuprates.
Au cours des trente dernières années, les expériences en physique du solide ont permis la découverte de comportements nouveaux et inattendus chez un certain nombre de matériaux, notamment la supraconductivité à haute température critique chez les oxydes de cuivre ou l'effet Hall fractionnaire dans les semiconducteurs. Tous ces milieux se caractérisent par de très fortes interactions entre particules qui rendent les approches perturbatives traditionnelles non valides mais qui permettent l'émergence d'une physique riche et non conventionnelle. Dans cette thèse, nous développons des méthodes analytiques et numériques qui permettent de mieux comprendre comment fonctionnent les systèmes fortement corrélés et nous illustrons certaines de leurs propriétés exotiques. Notre travail se concentre sur trois exemples de tels systèmes: le cas des modèles de dimères classiques en trois dimensions, le problème des fermions en deux dimensions, et l'effet de la frustration sur le magnétisme quantique en une dimension. Dans la première partie, nous démontrons l'existence d'une transition de phase non conventionnelle dans un modèle de dimères en interaction à l'aide de simulations Monte-Carlo sur des systèmes de grande taille. Dans une deuxième partie, nous introduisons le concept de fondamentalisation d'une fonction d'onde et son application à la recherche d'états fondamentals d'Hamiltoniens fermioniques réalisables. Enfin, nous présentons un problème de tube de spin frustré où nous montrons l'existence d'un ensemble de transitions de phase quantiques entre des ordres topologiques différents, et où nous mettons en valeur le rôle des défauts topologiques dans la physique des systèmes fortement corrélés.