Les isolants topologiques sont des isolants qui ne peuvent être différenciés des isolants atomiques que par une grandeur physique non locale appelée invariant topologique. L'effet Hall quantique et son équivalent sans champ magnétique l'isolant de Chern sont des exemples d'isolants topologiques. En présence d'interactions fortes, des excitations exotiques appelées anyons peuvent apparaître dans les isolants topologiques. L'effet Hall quantique fractionnaire (EHQF) est la seule réalisation expérimentale connue de ces phases. Dans ce manuscrit, nous étudions numériquement les conditions d'émergence de différents isolants topologiques fractionnaires. Nous nous concentrons d'abord sur l'étude de l'EHQF sur le tore. Nous introduisons une méthode de construction projective des états EHQF les plus exotiques complémentaire par rapport aux méthodes existantes. Nous étudions les excitations de basse énergie sur le tore de deux états EHQF, les états de Laughlin et de Moore-Read. Nous proposons des fonctions d'onde pour les décrire, et vérifions leur validité numériquement. Grâce à cette description, nous caractérisons les excitations de basse énergie de l'état de Laughlin dans les isolants de Chern. Nous démontrons également la stabilité d'autres états de l'EHQF dans les isolants de Chern, tels que les états de fermions composites, Halperin et NASS. Nous explorons ensuite des phases fractionnaires sans équivallent dans la physique de l'EHQF, d'abord en choisissant un modèle dont l'invariant topologique a une valeur plus élevée, puis en imposant au système la conservation de la symétrie par renversement du temps, ce qui modifie la nature de l'invariant topologique.
Les isolants topologiques sont des isolants qui ne peuvent être différenciés des isolants atomiques que par une grandeur physique non locale appelée invariant topologique. L'effet Hall quantique et son équivalent sans champ magnétique l'isolant de Chern sont des exemples d'isolants topologiques. En présence d'interactions fortes, des excitations exotiques appelées anyons peuvent apparaître dans les isolants topologiques. L'effet Hall quantique fractionnaire (EHQF) est la seule réalisation expérimentale connue de ces phases. Dans ce manuscrit, nous étudions numériquement les conditions d'émergence de différents isolants topologiques fractionnaires. Nous nous concentrons d'abord sur l'étude de l'EHQF sur le tore. Nous introduisons une méthode de construction projective des états EHQF les plus exotiques complémentaire par rapport aux méthodes existantes. Nous étudions les excitations de basse énergie sur le tore de deux états EHQF, les états de Laughlin et de Moore-Read. Nous proposons des fonctions d'onde pour les décrire, et vérifions leur validité numériquement. Grâce à cette description, nous caractérisons les excitations de basse énergie de l'état de Laughlin dans les isolants de Chern. Nous démontrons également la stabilité d'autres états de l'EHQF dans les isolants de Chern, tels que les états de fermions composites, Halperin et NASS. Nous explorons ensuite des phases fractionnaires sans équivallent dans la physique de l'EHQF, d'abord en choisissant un modèle dont l'invariant topologique a une valeur plus élevée, puis en imposant au système la conservation de la symétrie par renversement du temps, ce qui modifie la nature de l'invariant topologique.
Etude numérique des isolants topologiques fractionnaires Les isolants topologiques sont des isolants qui ne peuvent être différenciés des isolants atomiques que par une grandeur physique non locale appelée invariant topologique. L'effet Hall quantique et son équivalent sans champ magnétique l'isolant de Chern sont des exemples d'isolants topologiques. En présence d'interactions fortes, des excitations exotiques appelées anyons peuvent apparaître dans les isolants topologiques. L'effet Hall quantique fractionnaire (EHQF) est la seule réalisation expérimentale connue de ces phases. Dans ce manuscrit, nous étudions numériquement les conditions d'émergence de différents isolants topologiques fractionnaires. Nous nous concentrons d'abord sur l'étude de l'EHQF sur le tore. Nous introduisons une méthode de construction projective des états EHQF les plus exotiques complémentaire par rapport aux méthodes existantes. Nous étudions les excitations de basse énergie sur le tore de deux états EHQF, les états de Laughlin et de Moore-Read. Nous proposons des fonctions d'onde pour les décrire, et vérifions leur validité numériquement. Grâce à cette description, nous caractérisons les excitations de basse énergie de l'état de Laughlin dans les isolants de Chern. Nous démontrons également la stabilité d'autres états de l'EHQF dans les isolants de Chern, tels que les états de fermions composites, Halperin et NASS. Nous explorons ensuite des phases fractionnaires sans équivallent dans la physique de l'EHQF, d'abord en choisissant un modèle dont l'invariant topologique a une valeur plus élevée, puis en imposant au système la conservation de la symétrie par renversement du temps, ce qui modifie la nature de l'invariant topologique.
Depuis une trentaine d'années, les phases topologiques ont suscité un intérêt important parce qu'elles ne peuvent être comprises dans le cadre de la théorie de Landau des transitions de phases. Par définition, ces phases ne peuvent être distingués des phases triviales par une mesure locale et il est donc difficile de les identifier. Parmi les différentes techniques utilisées pour identifier les phases topologiques, les mesures d'intrication, introduites dans le cadre de l'informatique quantique, se sont révélées fructueuses. Li et Haldane ont proposé d'utiliser le spectre d'intrication : il s'agit du spectre de la matrice densité réduite obtenue lors d'un découpage du système en deux sous-parties. Ils ont montré que, pour les états modèles de l'effet Hall quantique fractionnaire, le comptage des états du spectre d'intrication possède une partie universelle dont le comptage est relié à celui des excitations de bord du système. Au cours de ma thèse, j'ai cherché à comprendre ce que permettait d'obtenir le spectre d'intrication appliqué aux phases de l'effet Hall quantique fractionnaire qui est l'exemple typique de phases topologiques en interaction forte. Mes premiers travaux ont consisté à étudier le spectre d'intrication, tel que l'avait défini Li et Haldane. J'ai ainsi montré qu'au-delà des états modèles il était possible de définir un gap d'intrication. J'ai aussi relié les structures au-dessus du gap d'intrication aux excitations de type quasitrous-quasiparticules. Par la suite, j'ai défini deux autres spectres d'intrication qui repose sur des découpages différents du système. Le spectre d'intrication par particule permet d'accéder à d'autres excitations de type quasitrous alors que le spectre d'intrication géométrique règle un certain nombre de problèmes que la définition de Li et Haldane posait. Enfin, j'ai utilisé ces outils pour identifier les phases, similaires à celles de l'effet Hall quantique fractionnaire, émergentes pour un gaz de bosons dans un réseau optique ou dans les isolants de Chern fractionnaires.
Détection et préparation d'états de Hall quantique fractionnaires dans les réseaux optiques Les isolants de Chern fractionnaires (ICFs) sont des réalisations sur le réseau d’états de Hall quantiques fractionnaires, qui ne requièrent pas de champ magnétique externe. Les ICFs sont une phase de la matière avec un ordre topologique, ce qui signifie qu’ils hébergent des excitations anyoniques, des quasiparticules avec une charge et une statistique fractionnaires. Des efforts importants sont actuellement dédiés à leur réalisation et à leur détection dans les gaz atomiques ultrafroids.Dans la première partie de ce manuscrit, nous concevons un protocole expérimental visant à caractériser les ICFs dans les atomes froids. Nous montrons comment réaliser la spectroscopie des états de bord d’un ICF en utilisant des faisceaux laser de Laguerre-Gauss, capables de transférer de l’énergie et du moment angulaire au système. Nous testons notre protocole sur le modèle de Bose-Hubbard-Hofstadter et démontrons qu’il détecte fidèlement les états de bord et leur comptage topologique. Nous montrons également que notre protocole peut être utilisé pour détecter les excitations collectives du bulk, fournissant ainsi une signature supplémentaire des ICFs. Dans la dernière partie de cette thèse, nous introduisons un protocole pour la préparation d’un ICF non-abélien, une classe particulière d’états hébergeant des anyons qui pourraient être utilisés pour le calcul quantique topologique et qui est actuellement hors de portée des expériences. Contrairement aux protocoles de préparation quasi-adiabatique habituels, notre proposition est basée sur la préparation initiale d’une phase superfluide, suivie d’une impulsion de Laguerre-Gauss dans l’ICF bosonique de Moore-Read. De façon générale, cette thèse apporte des avancées pour la détection et la préparation des ICFs dans les atomes froids.
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.
Bien qu´il ait été découvert il y a plus de vingt ans et couronné d´un prix Nobel en 1998, l'effet Hall quantique fractionnaire reste un sujet vivant. Parmi les problématiques qui ont émergé récemment, on peut citer la possibilité de trouver une physique similaire dans les gaz atomiques ultrafroids en rotation et les prédictions concernant l'existence de statistiques exotiques au delà des statistiques fermioniques, bosoniques ou même fractionnaires, du nom de statistiques non abéliennes. Ces dernières suscitent un vif intérêt : il a été montré qu´elles pouvaient être utilisées comme base pour le calcul quantique en étant robuste par construction à la décohérence, actuellement le principal obstacle au développement de l ´ordinateur quantique. Avoir une vision de l´effet Hall quantique fractionnaire permettrait d ´appréhender l´intégralité des phénomènes en jeu reste un objectif à atteindre. Ce système est l´archétype même de ceux où physique quantique et interactions entre particules sont si imbriquées, que les schémas usuels d ´approximations ne sont plus valides. Suivant le nombre de particules et l ´intensité du champ magnétique, des modèles différents permettaient d ´appréhender la nature des phénomènes en jeu jusqu´à ce jour. Les plus célèbres sont le liquide de Laughlin, le modèle des fermions composites de Jain, ou encore l´état de Moore-Read. Pour autant, aucune de ces approches n ´est ¨universelle¨. Nous présenterons une approche reposant sur des liquides quantiques colorés. Chaque groupe de particules avec une couleur donnée forme un liquide de Laughlin. L´utilisation de couleurs est une manière artificielle de distinguer les particules alors qu´elles sont toutes identiques. En réalité, elles sont en quelques sorte toutes ¨grises¨. Nous proposons une procédure qui permet de rendre les particules de nouveau ¨grises¨. Cette méthode est l ´analogue d´une photographie d´une peinture couleur avec un appareil photo noir et blanc. L´image en noir et blanc révèle de façon surprenante la structure interne du liquide quantique : il est constitué de gouttelettes formées à partir d´un nombre de particules égal au nombre de couleurs utilisées initialement. Les résultats de calculs numériques menés pour valider cette approche, semblent indiquer que cette structure est une caractéristique commune des différentes approches de l´effet Hall quantique fractionnaire.
Dans cette thèse nous abordons des aspects topologiques de la matière condensée. Les états topologiques sont insensibles à un large spectre des perturbations externes et au désordre – une propriété indispensable dans le domaine d'information quantique. L’effet des interactions dans des systèmes topologiques est pourtant loin d’être bien maîtrisé à ce jour. Dans ce travail, nous étudions la corrélation entre la description topologique et l'effet des interactions. Afin d'accomplir notre but, nous utilisons des méthodes analytiques et numériques. Nous nous intéressons aussi à des sondes expérimentales qui peuvent être utilisées pour vérifier nos prédictions théoriques. Tout d’abord, nous étudions la version bosonique en interactions du modèle de Haldane – le modèle célèbre qui décrit l’effet Hall anomal. Nous proposons son implémentation expérimentale dans des circuits quantiques, basée sur l’application de perturbation périodique dépendantes du temps – méthodologie qui s’appelle l’ingénierie de Floquet. En poursuivant ces idées, nous étudions la version bosonique du modèle de Kane-Mele d’un isolant topologique. Ce modèle possède un diagramme de phase très riche. En particulier, lorsque les interactions sont fortes, nous observons l’apparition d’un modèle de magnétisme frustrée présentant une variété d'états exotiques. La mise en œuvre de ces modèles dans des réseaux d'atomes ultra-froids ou des circuits quantiques permettra de sonder expérimentalement les propriétés exotiques que nous avons observées. Ensuite, nous abordons d’une manière plus détaillée la réalisation expérimentale des modèles topologiques dans des circuits quantiques, en considérant le cas particulier du modèle de Su-Schrieffer-Heeger en couplage fort. Nous testons aussi des nouvelles sondes qui peuvent être utilisées afin de mesurer la phase de Zak et en déduire la topologie du système. Finalement, nous nous intéressons aux sondes hors d’équilibre et des méthodes pour tester les propriétés spectrales de systèmes quantiques, en utilisant l’approche de purification, pertinent pour le numérique et les expériences.