EnseignementCours – Des métaux étranges aux trous noirs : autour des modèles SYKLe cycle de cours et séminaires de cette année avait pour titre : « Des métaux étranges aux trous noirs : autour des modèles Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) » et concernait certains systèmes quantiques dans lesquels les excitations de basse énergie ne peuvent être décrites en termes de quasiparticules. Les propriétés de transport de ces systèmes sont inhabituelles et différentes d’un liquide de Fermi usuel (« métal étran...
EnseignementCours – Des métaux étranges aux trous noirs : autour des modèles SYKLe cycle de cours et séminaires de cette année avait pour titre : « Des métaux étranges aux trous noirs : autour des modèles Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) » et concernait certains systèmes quantiques dans lesquels les excitations de basse énergie ne peuvent être décrites en termes de quasiparticules. Les propriétés de transport de ces systèmes sont inhabituelles et différentes d’un liquide de Fermi usuel (« métal étran...
EnseignementCours − Le modèle de Hubbard fermionique : introduction et progrès récentsLe cycle de cours et séminaires de cette année avait pour titre : « Le modèle de Hubbard fermionique : introduction et progrès récents ». Paradigme de la physique des systèmes quantiques en interaction, le modèle de Hubbard a, dans ce domaine, un statut similaire à celui du modèle d’Ising en physique statistique. C’est le modèle le plus simple à formuler, mais dont on peut espérer qu’il suffise à comprendre...
Dynamique hors-équilibre des systèmes quantiques maximalement chaotiques Cette thèse porte sur l’étude de la dynamique hors-équilibre des systèmes quantiques à N-corps maximalement chaotiques. Le chaos est un élément clé du processus de thermalisation des systèmes quantiques. Une mesure possible du chaos est la vitesse à laquelle l’information se propage et se brouille à travers un système. Le taux auquel ce brouillage se produit est en réalité borné, et les systèmes maximalement chaotiques sont ceux au taux le plus élevé. Le modèle de Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) constitue un exemple type de système maximalement chaotique, amplement étudié ces dernières années. Ce modèle a la particularité de ne posséder aucune description en terme de quasi-particules, une propriété particulièrement interessante pour l’étude de la phase de métal étrange des supraconducteurs à haute température. Le modèle SYK présente également des liens étroits avec la physique des trous noirs. Dans cette thèse, nous cherchons à analyser comment le chaos maximal ansi que l’absence de quasi-particules peuvent affecter les propriétés dynamiques d’un système quantique dans diverses situations hors-équilibre. Dans un premier temps, nous étudions la dynamique après un quench d’une version déformée du modèle SYK, qui présente à l’équilibre une transition entre un comportement de liquide de Fermi et de non-liquide de Fermi. Nous résolvons les équations du mouvement numériquement et nous montrons que le système atteint l’équilibre thermodynamique après le quench. Nous montrons également que le changement de comportement entre liquide de Fermi et non-liquide de Fermi s’observe dans l’état stationnaire thermalisé, ainsi que dans la dynamique vers cet état. Dans un second temps, nous examinons si un système maximalement chaotique, comme le modèle SYK, peut agir comme un reservoir d’énergie efficace pour un autre système quantique. Nous montrons par des méthodes numériques et analytiques qu’il existe en effet un régime de paramètres pour lesquels la dynamique vers l’équilibre thermodynamique du système en contact avec le réservoir est plus rapide si le réservoir est maximalement chaotique que s’il est composé de particules sans interactions comme habituellement supposé. Dans un troisième temps, nous analysons le transport d’énergie entre deux reservoirs thermiques décrits par le modèle SYK et couplés par une jonction de petite taille sans interactions. Nous établissons une expression exacte pour la densité de courant d’énergie dans la limite thermodynamique, et nous montrons que les propriétés de criticalité quantique du modèle SYK ont une forte influence sur la dépendance en température de la conductivité thermique. Enfin, dans la dernière partie nous explorons les connections entre les systèmes maximalement chaotiques et le comportement non-liquide de Fermi en calculant le taux de brouillage de l’information pour le modèle de Kondo multicanal sur-écranté dans la limite de grand spin et de grand nombre de canaux. Nous montrons que le taux de brouillage dépend du rapport entre la taille du spin et le nombre de canaux, et que le chaos maximal est atteint lorsque ce rapport est égal à l’unité.
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.
Le domaine des problèmes quantiques à N-corps à l'équilibre et hors d'équilibre sont des sujets majeurs de la Physique et de la Physique de la matière condensée en particulier. Les propriétés d'équilibre de nombreux systèmes unidimensionnels en interaction sont bien comprises d'un point de vue théorique, des chaînes de spins aux théories quantiques des champs dans le continue. Ces progrès ont été rendus possibles par le développement de nombreuses techniques puissantes, comme, par exemple, l'ansatz de Bethe, le groupe de renormalisation, la bosonisation, les états produits de matrices ou la théorie des champs invariante conforme. Même si les propriétés à l'équilibre de nombreux modèles soient connues, ceci n'est en général pas suffisant pour décrire leurs comportements hors d'équilibre, et ces derniers restent moins explorés et beaucoup moins bien compris. Les modèles d'impuretés quantiques représentent certains des modèles à N-corps les plus simples. Mais malgré leur apparente simplicité ils peuvent capturer plusieurs phénomènes expérimentaux importants, de l'effet Kondo dans les métaux aux propriétés de transports dans les nanostructures, comme les points quantiques. Dans ce travail nous considérons un modèle d'impureté appelé "modèle de niveau résonnant en interaction" (IRLM). Ce modèle décrit des fermions sans spin se propageant dans deux fils semi-infinis qui sont couplés à un niveau résonant -- appelé point ou impureté quantique -- via un terme de saut et une répulsion Coulombienne. Nous nous intéressons aux situations hors d'équilibre où un courant de particules s'écoule à travers le point quantique, et étudions les propriétés de transport telles que le courant stationnaire (en fonction du voltage), la conductance différentielle, le courant réfléchi, le bruit du courant ou encore l'entropie d'intrication. Nous réalisons des simulations numériques de la dynamique du modèle avec la méthode du groupe de renormalisation de la matrice densité dépendent du temps (tDMRG), qui est basée sur une description des fonctions d'onde en terme d'états produits de matrices. Nous obtenons des résultats de grande précision concernant les courbes courant-voltage ou bruit-voltage de l'IRLM, dans un grand domaine de paramètres du modèle (voltage, force de l'interaction, amplitude de saut vers le dot, etc.). Ces résultats numériques sont analysés à la lumière de résultats exacts de théorie des champs hors d'équilibre qui ont été obtenus pour un modèle similaire à l'IRLM, le modèle de Sine-Gordon avec bord (BSG). Cette analyse est en particulier basée sur l'identification d'une échelle d'énergie Kondo et d'exposants décrivant les régimes de petit et grand voltage. Aux deux points particuliers où les modèles sont connus comme étant équivalents, nos résultats sont en accord parfait avec la solution exacte. En dehors de ces deux points particuliers nous trouvons que les courbes de transport de l'IRLM et du modèle BSG demeurent très proches, ce qui était inattendu et qui reste dans une certaine mesure inexpliqué.
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.
L'étude des systèmes fortement corrélés est un des champs de recherche les plus stimulant de la physique de la matière condensée. Au-delà de la transition de Mott, ces systèmes \nsont des isolants magnétiques qui peuvent être décrits par une fonction d'onde de spins. On peut généraliser ce concept en remplaçant la variable de spin par une représentation \nirréductible du groupe SU(N), ce qui s'avère pertinent dans certaines expériences d'atomes froids. Cette thèse vise à déterminer les propriétés physiques de fonctions d'onde \nparadigmatiques de systèmes de matière condensée régis par la symétrie SU(N) à l'aide d'algorithmes de réseaux de tenseurs. Ces méthodes se sont avérées remarquablement \nefficaces pour traiter des problèmes de variables discrètes sur réseau. On emploie ici le formalisme des états projetés sur des paires intriquées (PEPS) afin de concevoir des \ntenseurs avec une symétrie SU(N) intrinsèque décrivant des phases liquides de spins quantiques. Cette méthode est d'abord appliquée à la généralisation à SU(3) sur réseau carré de la fonction d'onde Affleck-Kennedy-Lieb-Tasaki (AKLT). On montre qu'elle appartient à la classe des phases topologiques protégées par symétrie. On s’intéresse ensuite à la généralisation à SU(N) des états de type liens de valence résonnants (RVB) sur réseau carré, dans un premier temps pour des représentations alternées fondamentale-conjuguée. On considère dans un second temps un système à deux fermions SU(4) par site que l'on décrit par des fonctions d'onde RVB généralisées. On montre que ces états correspondent à une phase liquide de spin quantique avec ordre topologique Z2, potentiellement chirale, qui ne brise aucune symétrie spatiale. On propose un Hamiltonien raisonnable de courte portée pouvant stabiliser cette phase.