Systèmes fortement corrélés de bosons et fermions : une étude Monte Carlo diagrammatique, variationnelle et intégrale de Chemin Mon travail de thèse se concentre sur l'étude, à l'aide de techniques numériques, de systèmes de fermions et bosons fortement corrélés. J'étudie Hamiltoniens de bosons sur réseau avec interactions à portée étendue, avant un intérêt pour expériences concernant atomes en états Rydberg-dressed, par moyen de simulations Path Integral Monte Carlo. Mon résultat principal est la démonstration d'un état de superverre en absence de sources de frustration dans le système. J'étudie également la modèle t-J fermionique avec deux trous par moyen de simulations Variational Monte Carlo avec l’ansatz Entangled Plaquette States (EPS). Mon étude est fondamental en la perspective d'appliquer l'ansatz EPS à autres systèmes fermioniques, d’intérêt pour la supraconductivité à haute temperature, dont le comportement n'a pas encore été déterminé. Finalement, je présente mon travail sur une implémentation de l'algorithme Diagrammatic Monte Carlo.
Systèmes fortement corrélés de bosons et fermions : une étude Monte Carlo diagrammatique, variationnelle et intégrale de Chemin Mon travail de thèse se concentre sur l'étude, à l'aide de techniques numériques, de systèmes de fermions et bosons fortement corrélés. J'étudie Hamiltoniens de bosons sur réseau avec interactions à portée étendue, avant un intérêt pour expériences concernant atomes en états Rydberg-dressed, par moyen de simulations Path Integral Monte Carlo. Mon résultat principal est la démonstration d'un état de superverre en absence de sources de frustration dans le système. J'étudie également la modèle t-J fermionique avec deux trous par moyen de simulations Variational Monte Carlo avec l’ansatz Entangled Plaquette States (EPS). Mon étude est fondamental en la perspective d'appliquer l'ansatz EPS à autres systèmes fermioniques, d’intérêt pour la supraconductivité à haute temperature, dont le comportement n'a pas encore été déterminé. Finalement, je présente mon travail sur une implémentation de l'algorithme Diagrammatic Monte Carlo.
Thermodynamique des bosons fortement interagissants : nouveaux résultats et approches numériques Les atomes froids dans les réseaux optiques permettent d'avoir un contrôle sans précédent des états a N-corps fortement corrélés. Pour cette raison, ils représentent un excellent outil pour l'implémentation d'un « simulateur quantique », utile pour réaliser de manière expérimentale de nombreux hamiltoniens de systèmes d'intérêt physique. En particulier, ils rendent possible la création de champs de jauge artificiels; ces derniers permettant d'accéder à la physique du magnétisme frustré. Dans ce travail, il s'agit de s'intéresser à la thermodynamique des atomes froids, en abordant ce sujet de manière théorique et numérique. A ce jour, le Monte Carlo quantique est la méthode la plus efficace dans ce domaine. Néanmoins, en raison de ce qu'on appelle le « problème du signe », elle ne peut s'appliquer qu'à une classe restreinte de systèmes, et dont par exemple les systèmes frustrés ne font pas partie. L'intérêt de cette thèse est de développer une nouvelle méthode approximée fondée sur une approche Monte Carlo. La première partie de cette thèse est consacrée à des considérations de nature théorique sur la structure spatiale des corrélations classiques et quantiques. Ces résultats nous permettent de développer, dans une deuxième partie, une approximation nommée « champ moyen quantique ». Celle-ci permet de proposer, dans une troisième partie, une méthode numérique qu'on appelle « Monte Carlo du champ auxiliaire » et qu'on applique à des cas d'intérêt physique, notamment au réseau triangulaire frustré.
Cette thèse porte sur l'étude de systèmes quantiques à N-corps à température nulle, où le comportement du système n'est alors soumis qu'aux effets quantiques. Je vais présenter ici une approche variationnelle développée avec Tommaso Roscilde, mon directeur de thèse, et Fabio Mezzacapo, mon co-encadrant de thèse, pour étudier ces systèmes.Cette approche se base sur une parametrisation de l’état quantique (dit Ansatz) à laquelle on applique une procédure d’optimisation variationnelle lui permettant de reproduire l'évolution d'un système soumis à l'équation de Schrödinger, tout en limitant le nombre de variables considérées. En considérant une évolution en temps imaginaire, il est possible d'étudier l'état fondamental d'un système. Je me suis ainsi intéressé à un modèle de chaîne XX de spins 1/2, dont les corrélations à longue portée rendent l'étude difficile, et adapté ainsi notre approche pour reproduire au mieux les corrélations et l'intrication du système. Je me suis ensuite intéressé au modèle J1-J2 dont la structure de signe non positive des coefficients de l’état quantique pose un défi important pour les approches Monte Carlo; et dans laquelle la frustration magnétique induit une transition de phase quantique (d’un état aux corrélations à longue porté vers un état non magnétique avec formation d’un cristal de lien de valence). Je me suis enfin intéressé à l'évolution temporelle d'un système à N-corps à partir d'un état non stationnaire. J'ai pu étudier la capacité de notre approche à reproduire la croissance linéaire de l’intrication dans le temps, ce qui est un obstacle fondamental pour les approches alternatives telles que le groupe de renormalisation de la matrice densité.
Sélectivité orbitale dans les systèmes fermioniques fortement corrélés. Des matériaux aux atomes froids Cette thèse se concentre sur des aspects multiorbitales des systèmes fermioniques fortement corrélés. En particulier, sur l'existence d'une différentiation orbitale dans laquelle la coexistence de caractère itinérant et localisé peut être associée à différentes orbitales. Cette problématique est examinée dans le contexte des atomes froids et des matériaux, offrant un pont entre les deux communautés.Dans la première partie de la thèse, nous donnons un aperçu du problème des corrélations fortes dans les matériaux, et nous introduisons le concept de 'transition de Mott sélective en orbitales'. Nous fournissons également les principaux outils pour comprendre comment les matériaux peuvent être simulés avec des atomes froids, et nous présentons des résultats importants liés à la transition métal-isolant de Mott. Les aspects techniques, basées sur la théorie du champ moyen dynamique sont également discutés, et la solution de deux principaux modèles de systèmes fermioniques fortement corrélés, à savoir le modèle d'Hubbard (HM) et le modèle de Falicov-Kimball (FKM), sont passés en revue.Ensuite, nous étudions en détail la physique de deux espèces fermioniques en interaction forte avec des masses différentes dans un réseau optique. Nous établissons les différentes phases (avec et sans ordre à longue portée) en termes de la force des interactions (U), du rapport des masses et de la température (T), et aussi nous discutons les variables thermodynamiques, qui sont pertinentes pour les expériences d'atomes froids. Nous montrons que dans la phase métallique (U inférieure à une valeur critique) et avec un certain degré de différence de masses, un 'crossover' apparaît entre un état métallique du type de liquide de Fermi à basse T, et un état avec différentiation orbital à haute T, où les fermions lourds se localisent tandis que les fermions légers restent itinérant. Par conséquent, nous proposons ce modèle minimal pour étudier la physique des systèmes qui présentent une différentiation orbitale avec des expériences d'atomes froids.Basé sur les propriétés du modèle étudié, nous proposons la 'chromatographie entropique' comme une nouvelle méthode pour refroidir des atomes fermioniques dans les réseaux optiques. Nous discutons son efficacité et ses limites, et fournissons quelques idées afin de les surmonter.Dans la dernière partie de la thèse, nous généralisons le modèle précédent aux matériaux corrélés à plusieurs bandes qui permet d'afficher la différentiation orbitale. Nous montrons que l'état de Mott sélectif en orbital peut être stable sous les distorsions du réseau, modélisées par une hybridation locale entre les orbitales. Cependant, l'état de Mott est caractérisé par un pseudo-gap, où les fluctuations de charge sont brusquement réduites, mais l'état reste compressible. En relation au modèle précédent, nous discutons le 'crossover' entre l'état métallique et l'état sélectif induit par des effets température, nous comparons nos résultats avec les expériences de photoémission, et nous prédisons ce qui se passerait dans les matériaux qui présentent une hybridation locale entre les bandes.
Simulation quantique pour électrons fortement corrélés avec des atomes neutres : vers une simulation de matériaux d'intérêts La simulation quantique fait entrevoir la promesse d’améliorer les simulations atomiques utilisées à EDF pour anticiper le vieillissement des matériaux d’intérêts. Un simulateur en particulier semble particulièrement adapté pour modéliser des électrons en interaction : les atomes de Rydberg. Le premier travail de cette thèse est de concevoir un algorithme variationnel implémentable sur un simulateur à atomes de Rydberg pour la chimie. Cet algorithme est spécialement conçu pour cette plateforme et optimisé par des outils théoriques récents. Nous comparons nos résultats numériques, obtenus avec une émulation d’une vraie expérience, avec d’autres approches et montrons que notre méthode est plus efficace. Enfin, nous montrons qu’en limitant le nombre de mesures pour que l’expérience soit réalisable sur une vraie architecture, nous pouvons atteindre l’énergie fondamentale des molécules H2, LiH et BeH2 avec 5% d’erreur.Pour un deuxième algorithme, nous avons utilisé la méthode des spins “esclaves” afin d’implémenter la physique du modèle de Fermi-Hubbard 2D sur un simulateur à atomes de Rydberg. L’idée est de découpler les degrés de liberté de charges et des spins “esclaves” à l’aide d’un champ moyen pour obtenir deux Hamiltoniens auto-cohérents : un résolvable classiquement et un Hamiltonien d’Ising qui peut être reproduit sur un simulateur quantique. Nous montrons numériquement que nous pouvons retrouver une transition de Mott du modèle initial avec cette méthode même en émulant le bruit d’une vraie expérience et nous montrons que nous pouvons aussi retrouver la dynamique des électrons hors équilibre dans ce même paradigme avec de bons résultats. Les deux algorithmes peuvent potentiellement être améliorés théoriquement jusqu’à atteindre des matériaux d’intérêts, mais ils sont aussi implémentables sur les architectures existantes aujourd’hui, pour atteindre un potentiel avantage quantique
Les systèmes fortement corrélés, pouvant adopter des phases surprenantes de la matière, émergent dans le domaine des atomes ultra-froids ou dans celui de l’électrodynamique quantique en cavité (CQED). Ceux-ci sont au centre d’intenses travaux expérimentaux et théoriques. Dans cette thèse, nous présentons une étude de deux modèles de bosons avec deux ou zéro états internes. Ceux-ci peuvent se déplacer sur un réseau, et sont localement couplés avec des spins 1/2. Notre intérêt réside dans la détermination du diagramme de phase de l’état fondamental de ces systèmes ainsi que de l’étude des propriétés de phase et des transitions entre ces dernières. Nous avons utilisé deux outils : une approximation de champ moyen et des simulations de Monte-Carlo quantique, qui fournit des résultats numériquement exacts. Le premier modèle, appelé modèle de Kondo bosonique sur réseau, s’inscrit dans le contexte des atomes ultra-froids sur réseau. Nous trouvons que sa physique est proche de celle du modèle de Bose-Hubbard, présentant des phases de Mott et superfluide. Le couplage local renforce le caractère isolant et on observe l’émergence de phases magnétiques au travers de couplage direct ou indirect entre bosons et/ou spins. Les effets thermiques, inhérents à tout dispositif expériemental, sont aussi étudiés. Le second modèle s’inscrit dans le domaine de la CQED sur réseau, décrit un régime de couplage ultra-fort entre des photons et des atomes, et est appelé modèle de Rabi sur réseau. Le diagramme de phase présente juste deux phases : une phase cohérente dans laquelle les spins locaux s’ordonnent ferromagnétiquement ainsi qu’une phase incohérente compressible paramagnétique
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.