Cette thèse est consacrée à l'étude de la théorie mathématique sous-tendant la construction et la solution d'une classe particulière de systèmes quantiques exactement résolubles : son objectif est d'utiliser les superalgèbres de Lie comme un outil pour construire et résoudre les chaînes de spins intégrales. Nous développons une approche générale et systématique premettant de construire et traiter simultanément une large classe de systèmes intégrables partageant la même supersymétrie, allant du cas bien connu où tous les sites portent la représentation fondamentale (par exemple le modèle t-J) à des situations plus complexes d'intérêt physique comprenant des chaînes de spins alternées, avec impuretés etc. Les deux premiers chapitres sont consacrés à un examen des résultats connus concernant le Yangien du superalgèbre de Lie gl(mIn), nécessaire pour introduire la version graduée de la méthode de diffusion inverse quantique. Nous appliquons notre approche dans le chapitre 3 aux chaînes fermées et dans le chapitre 4 aux chaînes ouvertes. Dans ce chapitre sont étudiées les homologues super-symétriques de l'algèbre de réflexion et du Yangien twisté, qui sont les structures algébriques permettant d'imposer des conditions aux bords qui préservent l'intégralité. Dans le dernier chapitre la méthode de la fusion pour chaînes de spins avec supersymétrie sl(1I2) est traitée en détail. La méthode de solution que nous utilisons, tant dans les cas fermé et ouvert, est la généralisation au cas super-symétrique de l'Ansatz de Bethe analytique, dans laquelle les équations de Bethe paramétrant les nombres quantiques du système sont obtenues comme conditions d'analycité pour les valeurs propres des hamiltoniennes.
Dans ce mémoire d'habilitation je présente mes travaux recents sur les chaînes de spin quantiques. Les chaînes de spin constituent l'exemple le plus fondamental de modèles intégrables quantiques. Ces modèles ont plusieurs applications directes en théorie de la matière condensée, en physique statistique, en optique quantique, en théorie des champs et même en théorie des cordes mais ils sont aussi très importants car ils donnent une possibilité unique de traiter de manière exacte des phénomènes non perturbatifs inaccessibles par les autres moyens. Dans ce cadre le problème central de la théorie moderne des systèmes intégrables concerne le calcul explicite des fonctions de corrélation et des facteurs de forme et leur analyse asymptotique. La méthode présentée dans ce mémoire est basée sur l'ansatz de Bethe algébrique. Je montre comment cette méthode peut être utilisée pour le calcul des fonctions de corrélation à température nulle de la chaîne de spin 1/2 de Heisenberg. Le point principal de cette approche est la solution du problème inverse quantique obtenue pour la chaîne de spin 1/2 XXZ. Cette solution ainsi qu'une formule simple pour les produits scalaires des états de Bethe nous a permit d'obtenir les fonctions de corrélation les plus fondamentales ("les blocs élémentaires") sous forme d'intégrales multiples. Ces représentations sous forme d'intégrales multiples permettent de faire un analyse asymptotique pour quelques quantités physiques (probabilité de formation du vide) et même, dans certains cas particuliers, de les calculer d'une manière exacte. Il est possible d'obtenir à partir de ces représentations des résultats pour les fonctions à deux points, c'est à dire les fonctions de corrélation les plus importantes pour les applications. Un lien est établi entre ces intégrales multiples et les sommes de facteurs de forme. Ce résultat est généralisé aux fonctions de corrélation dynamiques. Je présente aussi dans ce mémoire les généralisations de cette méthode aux chaînes de spin supérieur à 1/2 et aux chaînes de spin à bords ouverts.
Fonctions d’onde et produits scalaires dans l’ansatz de Bethe Les modèles intégrables sont des modèles physiques pour lesquels certaines quantités peuvent être calculées de manière exacte, sans recours aux méthodes de perturbations. Ces modèles très particuliers suscitent un intérêt croissant en physique théorique. Les applications directes en physique de la matière condensée et les liens subtils plus récemment mis en évidence avec certaines théories de jauge supersymétriques ont motivé depuis des décennies l’élaboration d’outils mathématiques complexes. Parmi eux, l’ansatz de Bethe a joué un rôle central, et permis la diagonalisation de nombreux modèles de natures très différentes. Le premier chapitre de cette thèse est consacré à une introduction aux deux approches de l’ansatz de Bethe, dites ”en coordonnée” et ”algébrique”, dans le cadre de la chaîne de spin de Heisenberg et d’un modèle stochastique généralisant à un spin continu le modèle du Totally Asymmetric Simple Exclusion Process. Le deuxième chapitre de cette thèse présente l’ansatz algébrique modifié pour la chaîne XXX périodique. Cet ansatz modifié est proposé pour résoudre le cas de la chaîne ouverte, pour laquelle l’ansatz classique n’est plus efficace. Le produit scalaire des états de Bethe modifiés ainsi obtenus est étudié. Le troisième chapitre concerne la résolution de l’identité, et le problème fonctionnel inverse. Une expression pour les états de spin en terme des états de Bethe est présentée pour le q-TASEP, et une expression de la résolution de l’identité en terme des états de Bethe pour la chaîne de spin XXZ infinie est démontrée, faisant intervenir dans les deux cas la contribution des états liés. Enfin, le quatrième chapitre concerne les représentions en déterminant dans l’ansatz de Bethe. Une expression pour les éléments de matrice de l’opérateur Nombre de Particule pour le gaz de Bose avec interaction delta en terme d’un déterminent est démontrée, et des représentations intégrales pour les déterminants d’Izergin-Korepin et de Slavnov sont investiguées, établissant ainsi un nouveau lien formel direct entre ces deux représentations en déterminant.