Les méthodes de calcul numérique constituent des outils incontournables pour suppléer les travaux de recherche expérimental sur des problématiques de chimie-physique, leur diversité et accessibilité permettant l'exploration d'un grand nombre de systèmes. À l'équilibre thermodynamique, les propriétés de l'état électronique fondamental d'une molécule ou d'un solide peuvent ainsi être étudiées à l'aide de méthodes ab initio reposant sur l'évaluation de la fonction d'onde électronique ou encore s'appuyant sur la théorie fonctionnelle de la densité électronique (DFT). Parmi les nombreuses interactions, les effets d'échange et de corrélation électronique sont les plus complexes à évaluer. Des approches avancées, telles que le Monte Carlo quantique (QMC) ou le Cluster Couplé (CC), sont en mesure de fournir une description précise de ces interactions mais à un coût de calcul élevé, limitant leur application aux systèmes les plus simples. Ainsi, le rapport entre précision atteinte et coût numérique consacré représente un critère déterminant dans le choix des méthodes. Cette recherche de compromis aura représenté une composante essentielle dans l'établissement de ce travail de thèse. Sur un système en apparence simple — le dimère d'hydrogène (H2)2 — nous avons constaté que seules les méthodes avec une description avancée des interactions d'échange et de corrélation sont en mesure de fournir une description satisfaisante de sa surface d'énergie potentielle. Si certaines méthodes moins avancées donnent de bons résultats autour de la géométrie d'équilibre, elles échouent à décrire la surface d'énergie potentielle lorsque la distance intermoléculaire du dimère est comprimée à des valeurs comparables à celle observée dans les phases solides de l'hydrogène formées sous des pressions de l'ordre du mégabar. Parmi l'ensemble des méthodes testées, les méthodes fondées sur l'approximation de phase aléatoire (RPA) sont celles offrant le meilleur ratio précision-coût. Cette observation, en accord avec des travaux que nous avons conduits antérieurement à cette thèse sur la transition de phase II-III de l'hydrogène solide, nous a amené à envisager l'extension de ces méthodes au calcul de grandeurs physiques autres que l'énergie. De ce point de vue, la détermination des forces atomiques se montre pertinente car leur connaissance permet de comprendre l'évolution d'un système, d'identifier sa géométrie d'équilibre ou encore de calculer ses modes de vibrations harmoniques. Nous avons donc cherché à implémenter le calcul analytique des forces pour la méthode RPA au sein de l'extension ACFDT du code Quantum ESPRESSO, qui a recours à des ondes planes et à un formalisme DFT. Ce travail a été effectué avec succès dans deux cas distincts, avec et sans résolution auto-cohérente des équations de Kohn-Sham. Du fait du formalisme DFT, une résolution auto-cohérente des équations de Kohn-Sham nécessite d'obtenir le potentiel d'échange-corrélation RPA via un potentiel effectif optimisé (OEP). Dans les deux cas, des forces de bonne qualité ont pu être calculées. Leur utilisation au niveau RPA montre une amélioration systématique des propriétés structurelles et des fréquences des modes de vibrations de molécules et solides par rapport aux méthodes DFT moins avancées. Le formalisme de calcul du potentiel d'échange exact étant similaire entre les méthodes RPA et celles de DFT hybrides, nous avons également été en mesure d'étendre l'implémentation des forces à ces dernières. Nous avons pu mettre en évidence qu'une résolution auto-cohérente des équations de Kohn-Sham n'est souvent pas nécessaire pour pouvoir calculer les différentes propriétés découlant de l'évaluation des forces atomiques. Ce travail ouvre la voie à une application plus étendue des méthodes de DFT hybrides et RPA pour le calcul de davantage de quantités physiques.
Les méthodes de calcul numérique constituent des outils incontournables pour suppléer les travaux de recherche expérimental sur des problématiques de chimie-physique, leur diversité et accessibilité permettant l'exploration d'un grand nombre de systèmes. À l'équilibre thermodynamique, les propriétés de l'état électronique fondamental d'une molécule ou d'un solide peuvent ainsi être étudiées à l'aide de méthodes ab initio reposant sur l'évaluation de la fonction d'onde électronique ou encore s'appuyant sur la théorie fonctionnelle de la densité électronique (DFT). Parmi les nombreuses interactions, les effets d'échange et de corrélation électronique sont les plus complexes à évaluer. Des approches avancées, telles que le Monte Carlo quantique (QMC) ou le Cluster Couplé (CC), sont en mesure de fournir une description précise de ces interactions mais à un coût de calcul élevé, limitant leur application aux systèmes les plus simples. Ainsi, le rapport entre précision atteinte et coût numérique consacré représente un critère déterminant dans le choix des méthodes. Cette recherche de compromis aura représenté une composante essentielle dans l'établissement de ce travail de thèse. Sur un système en apparence simple — le dimère d'hydrogène (H2)2 — nous avons constaté que seules les méthodes avec une description avancée des interactions d'échange et de corrélation sont en mesure de fournir une description satisfaisante de sa surface d'énergie potentielle. Si certaines méthodes moins avancées donnent de bons résultats autour de la géométrie d'équilibre, elles échouent à décrire la surface d'énergie potentielle lorsque la distance intermoléculaire du dimère est comprimée à des valeurs comparables à celle observée dans les phases solides de l'hydrogène formées sous des pressions de l'ordre du mégabar. Parmi l'ensemble des méthodes testées, les méthodes fondées sur l'approximation de phase aléatoire (RPA) sont celles offrant le meilleur ratio précision-coût. Cette observation, en accord avec des travaux que nous avons conduits antérieurement à cette thèse sur la transition de phase II-III de l'hydrogène solide, nous a amené à envisager l'extension de ces méthodes au calcul de grandeurs physiques autres que l'énergie. De ce point de vue, la détermination des forces atomiques se montre pertinente car leur connaissance permet de comprendre l'évolution d'un système, d'identifier sa géométrie d'équilibre ou encore de calculer ses modes de vibrations harmoniques. Nous avons donc cherché à implémenter le calcul analytique des forces pour la méthode RPA au sein de l'extension ACFDT du code Quantum ESPRESSO, qui a recours à des ondes planes et à un formalisme DFT. Ce travail a été effectué avec succès dans deux cas distincts, avec et sans résolution auto-cohérente des équations de Kohn-Sham. Du fait du formalisme DFT, une résolution auto-cohérente des équations de Kohn-Sham nécessite d'obtenir le potentiel d'échange-corrélation RPA via un potentiel effectif optimisé (OEP). Dans les deux cas, des forces de bonne qualité ont pu être calculées. Leur utilisation au niveau RPA montre une amélioration systématique des propriétés structurelles et des fréquences des modes de vibrations de molécules et solides par rapport aux méthodes DFT moins avancées. Le formalisme de calcul du potentiel d'échange exact étant similaire entre les méthodes RPA et celles de DFT hybrides, nous avons également été en mesure d'étendre l'implémentation des forces à ces dernières. Nous avons pu mettre en évidence qu'une résolution auto-cohérente des équations de Kohn-Sham n'est souvent pas nécessaire pour pouvoir calculer les différentes propriétés découlant de l'évaluation des forces atomiques. Ce travail ouvre la voie à une application plus étendue des méthodes de DFT hybrides et RPA pour le calcul de davantage de quantités physiques.
La dynamique d'un système quantique formée de particules en interaction devient rapidement impossible à décrire exactement lorsque le nombre de particules augmente. Ceci est une des principales difficultés dans la description des noyaux atomiques pouvant contenir plusieurs centaines de nucléons. Une approche simplifiée du problème consiste à supposer que certains degrés de liberté contiennent plus d'information que les autres. Une approximation classique est de se concentrer sur les degrés de liberté à un corps : la dynamique du système peut être approximativement décrite par un ensemble de particules se propageant dans un champ moyen effectif. Si l'approximation de champ moyen a permis de nombreuses avancées dans la compréhension théorique des propriétés des noyaux, il n'en reste pas moins qu'elle ne peut décrire un certain nombre de leurs propriétés, par exemple les effets des collisions directes entre les nucléons où les fluctuations quantiques des observables à un corps. L'objectif de la thèse est de rendre compte de ces corrélations au-delà de l'approximation de champ moyen afin d'améliorer la description dynamique des systèmes quantiques corrélés. Une composante de la thèse a été d'étudier les méthodes qui permettent de traiter les collisions entre les particules en incluant le terme de Born au-delà du champ moyen. Ce terme est particulièrement complexe à cause d'effets non-locaux en temps, effets dits non-markoviens. Des simplifications possibles de ce terme, en vue de futures applications, ont été étudiées. Deux approches simplificatrices ont été proposées, l'une permettant de traiter ce terme à l'aide d'équations maîtresses, l'autre en s'affranchissant des intégrales en temps. La seconde partie de la thèse a été consacrée à l'amélioration de l'approximation de champ moyen afin de décrire les fluctuations quantiques. En se basant sur des méthodes d'espace des phases existantes, une nouvelle méthode, appelée «Hybrid Phase Space Method» (HPS) a été proposée. Cette méthode est une combinaison entre la théorie de champ moyen avec fluctuations initiales et une théorie où les degrés de liberté à deux corps sont propagés explicitement. Cette nouvelle approche a été testée avec succès pour la description d'un ensemble de fermions sur réseau, i.e, le modèle de Fermi-Hubbard et a donné de bien meilleurs résultats que les approches d'espace des phases précédemment utilisées pour décrire les systèmes corrélés, notamment dans un cas de couplage faible. Si cette nouvelle approximation donne des résultats intéressants, elle reste cependant numériquement assez lourde et empirique. Cela a conduit à étudier en détail les formalismes de Wigner-Weyl et de Bohm afin d'explorer de manière plus systématique les méthodes d'espace des phases et amené à la notion de trajectoire en mécanique quantique. La conclusion de cette étude, dont les tests ont été effectués sur l'effet tunnel, est qu'il est nécessaire que les trajectoires interfèrent entre elles au cours du temps pour bien reproduire les effets quantiques.
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.
Le monde qui nous entoure est composé de systèmes à nombreuses particules interagissantes, ce qui est essentiel pour comprendre la nature de notre réalité. Tout au long de l'histoire de l'humanité, de nombreux efforts ont été déployés pour atteindre cet objectif, avec des conséquences qui ont eu un impact sur les avancées technologiques qui façonnent notre vie moderne. Dans cette thèse, qui se spécialise dans la physique de la matière condensée, nous cherchons à comprendre les systèmes d'électrons interagissants à la base des propriétés électroniques. Nos efforts se concentrent en particulier sur le calcul de l'énergie totale de l'état fondamental (E0). Le principal obstacle, à savoir les énormes fonctions d'onde à plusieurs corps qui ne peuvent être calculées que pour un petit nombre d'électrons, est surmonté par les théories actuellement disponibles telles que la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la théorie de la perturbation à plusieurs corps (MBPT). Ces théories expriment les observables en termes de quantités plus compactes, telles que la densité de charge et la fonction de Green à une particule (GF). Cependant, les expressions exactes et/ou la densité et la GF elles-mêmes ne sont souvent pas connues. Un exemple important est l’E0, dont l'expression est inconnue en termes de la densité. En revanche, E0 peut être écrit exactement en termes de la GF. Il en va de même pour les fonctions spectrales qui peuvent être mesurées en photoémission et photoémission inverse. Cependant, la GF exacte, qui dépend de la self-energie exacte, est inconnue et le besoin d'approximations à la GF elle-même a un impact significatif sur la qualité des résultats. Néanmoins, le cadre des fonctions de Green bénéficie de l'existence d'approximations puissantes. En particulier, la MBPT suggère une façon de développer la self-energie sous forme de diagrammes ayant une signification physique. Pour les situations qui présentent des effets d'interaction faibles à modérés, la MBPT est souvent considérée comme une méthode systématique à suivre, bien que dans la pratique, des renormalisations, telles que l’écrantage de l'interaction de Coulomb, soient nécessaires. En particulier, même le plus bas ordre d'une expansion de la self-energie en termes de l'interaction de Coulomb écrantée W, qui est l'approximation GW largement utilisée, a été très performant pour le calcul de la partie quasi-particule dans les fonctions spectrales dans des systèmes finis ou étendus. Cependant, l'approximation GW présente certaines lacunes, telles qu'une erreur d'auto-écrantage et une violation de contraintes exactes. De plus, sa bonne performance est limitée à certains matériaux où la force de corrélation se situe dans un régime faible à modéré, tandis que les systèmes fortement corrélés restent inaccessibles à l’approximation GW. Dans cette thèse, nous proposons trois méthodes différentes pour aller au-delà du GW afin d'améliorer le calcul de l’énergie totale de l'état fondamental. La première méthode comprend des corrections de la self-energie en combinant la DFT dépendante du temps (TDDFT) avec la MBPT. Avec ces corrections, la self-energie est toujours approximée. Cependant, nous montrons que la contribution d’échange-corrélation exacte à E0 peut être obtenue exactement en utilisant cette self-energie approximée à condition que les ingrédients soient combinés de manière cohérente. La deuxième méthode se base sur le développement de la self-energie en termes de W. Nous avons étudié la convergence de la MBPT et exploré quel W est le meilleur choix dans ce développement. La troisième méthode tient compte de l'utilisation de contraintes exactes, qui peuvent être utilisées pour ajouter des corrections au-delà de la GW à un coût informatique négligeable. Nos résultats sont illustrés en utilisant le dimère de Hubbard symétrique à un et deux électrons. Nous fournissons un code informatique pour ce projet qui sera disponible en ligne à la fin de la thèse.
A novel approach to static and dynamic functionalities in strongly correlated systems Dans ce manuscrit, une instance particulière de représentation en bosons esclaves, introduite pour la première fois par Kotliar et Ruckenstein dans le context du modèle de Hubbard, est utilisée dans le but d’analyser les effets des interactions électroniques sur deux classes distinctes de propriétés de systèmes décrits par des modèles de Hubbard étendus.Dans un premier temps, une extension originale du modèle de Hubbard est introduite. Elle tient compte d’un potentiel à une particule modulé dans l’espace, ainsi que d’interactions entre électrons occupant des sites plus proches voisins. Ses propriétés statiques—comme les différents états fondamentaux en compétition dans son diagramme des phases à température nulle, ou encore la structure des bandes de ses quasiparticules—sont étudiées, dans le cas particulier d’une bande demi-remplie, dans l’approximation de point-selle de l’action associée à la représentation de Kotliar et Ruckenstein. Dans le diagramme des phases, une compétition entre deux phases ordonnées est étudiée. Ces phases, harborant toutes deux une modulation alternée de leur distribution de charges, se distinguent par la présence, ou non, d’un ordre antiferromagnétique de leurs spins. Des transitions fortement discontinues entre ces deux phases sont révélées par l’étude des paramètres d’ordre pertinents a différentes échelles de couplage. De larges régions de coexistence, dans lesquelles l’énergie de l’une des phases est légèrement supérieure à celle de l’autre phase, sont cartographiées. Dans ces régions, les différences notables de valeurs du gap de la structure des bandes entre les deux phases sont mises en évidence, donnant alors lieu à de possibles applications dans le domaine des matériaux fonctionnels.Dans un second temps, un modèle de Hubbard, étendu d’un potentiel d’intéraction de Coulomb à longue portée entre les électrons, est analysé à l’aide d’une forme alternativede la représentation de Kotliar et Ruckenstein. Un exemple de propriété dynamique du modèle, son spectre d’excitation de charges à temperature nulle, est calculé sous la forme de la fonction diélectrique dynamique. Plus particulièrement, les fluctuations gaussiennes des champs de bosons esclaves autour de la solution de point-selle paramagnétique sont calculées, permettant ainsi la détermination d’une formule analytique pour la susceptibilité dynamique de charge, et de ce fait pour la fonction diélectrique et la conductivité optique dynamiques. Les spectres, composés d’un continuum d’excitations particule-trou, ainsi que de deux modes collectifs: le plasmon et une signature de la bande de Hubbard supérieure, sont alors comparés avec l’approximation standard de la phase aléatoire, de sorte à mettre en exergue les effets dûs aux fortes corrélations électroniques. Un intérêt particulier est porté à la fréquence plasma, l’energy du mode de plasmon aux grandes longueurs d’ondes, mettant l’accent sur les effets du réseau cristallin et l’importance de la renormalisation de la masse effective inverse due aux interactions entre électrons.
A l’heure ou la miniaturisation electronique atteint ses limites, une meilleure comprehension du transport quantique a travers des systemes de dimensionalite reduite, dans lesquels l’interaction entre electrons ne peut plus etre ignoree ou meme traitee comme une perturbation, devient primordiale. La description theorique du transport electronique dans de tels systemes est de fait un des problemes majeurs de la physique mesoscopique actuelle. Le traitement correct des correlations introduites par l’interaction est un probleme extremement non-trivial et malgre les nombreux travaux entrepris dans cette thematique et les resultats accumules, beaucoup reste a faire pour reellement comprendre les effets des correlations dans les nano-systemes. L’approche retenue dans cette these consiste a simuler sur ordinateur des modeles physiques simplifies et a se limiter a des tailles suffisamment petites pour pouvoir faire un traitement numerique exact. Le but est de mettre en evidence les mecanismes qui prennent place dans ces modeles et qui peuvent etre similaires a ceux qui apparaissent dans les systemes reels. En calculant numeriquement (a l’aide de la technique de diagonalisation exacte de Lanczos) la statistique des niveaux d’energie multi-particules, nous avons etudie les effets combines du desordre et de l’interaction dans les systemes bidimensionnels. Alors que l’interaction diminue les correlations spectrales et donc augmente la localisation des electrons (caractere isolant) dans le regime de faible desordre, un comportement non-monotone apparait dans le regime de fort desordre. Dans ce regime, alors que les electrons sont deja localises par le desordre, une interaction moderee a un effet delocalisant. Cette conclusion est confirmee par une etude de la structure des fonctions d’onde multiparticules. L’effet de delocalisation peut etre compris comme resultant de reorganisations de charge dues a une competition entre le desordre et l’interaction pour etablir la structure de l’etat fondamental. Nous nous sommes egalement interesse a l’influence des correlations sur la conductance des boites quantiques. Pour calculer numeriquement la conductance en prenant en compte toutes les correlations, nous avons utilise une methode recemment developpee : la methode de la boucle, utilisant un code base sur l’algorithme DMRG. La generalisation de la methode a des systemes inhomogenes a permis d’etudier l’effet d’une tension de grille sur la conductance d’une chaine en interaction. Bien que le couplage entre la chaine et les fils jouant le role de reservoirs soit parfait dans notre modele, nos resultats numeriques, etendus par une etude analytique dans la limite de forte interaction, montrent que le blocage de Coulomb apparait sous l’effet des correlations. L’existence de ce blocage de Coulomb en l’absence de barrieres de potentiel constitue le resultat le plus important de cette these. Enfin, nous avons aussi travaille au developpement de la methode de la boucle pour des systemes avec spin. Introduire ce degre de liberte est bien evidemment souhaitable en vue d’ameliorer le realisme des modeles etudies. Les premiers resultats que nous avons obtenus montrent que la methode est toujours valable pour ces systemes.
Nouveaux algorithmes pour l’étude des propriétés d’équilibre et hors d’équilibre des systèmes quantiques fortement corrélés Quel est le point commun entre les étoiles formant une galaxie, les gouttes d'eau s'écoulant dans une rivière, et les électrons d'une céramique superconductrice lévitant au-dessus d'un aimant ? Tous ces systèmes ne peuvent être décrits par le mouvement isolé d'une seule de leurs composantes. C'est l'ensemble des particules et de leurs interactions qui fait émerger leurs singulières propriétés : on parle du problème à N corps.Dans cette Thèse, nous nous intéressons aux propriétés des systèmes d'électrons fortement corrélés, dont la physique est gouvernée par les principes de la mécanique quantique. Les méthodes analytiques étant rapidement limitées, nous développons de nouvelles approches numériques afin de quantifier précisément les propriétés de matériaux dans lesquels les interactions entre particules deviennent importantes.Nous nous intéressons tout d'abord aux propriétés d'équilibre de la pérovskite Sr2IrO4, un matériau structurellementéquivalent au cuprate supraconducteur La2CuO4. Nous mettons en évidence l'existence d'un pseudogapet décrivons la structure électronique de ce matériau en fonction du dopage.Nous développons ensuite des extensions aux algorithmes de Monte Carlo déterminantaux pour l'étude de quantités dynamiquescomme l'énergie propre, et nous montrons qu'il est possible de regrouper un nombre factoriel de diagrammes en une somme de déterminants, réduisantainsi fortement le problème de signe fermionique.Dans un deuxième temps, nous décrivons les systèmes fortement corrélés hors d'équilibre.Nous commençons par revisiter le Monte Carlo diagrammatique en temps réel dans une nouvelle base qui permet aux diagrammes du vide de s'annulerdirectement. Au cours d'un échantillonnage statistique, ceci permetd'atteindre la limite de long temps nécessaire à l'étude des états stationnaires des systèmes hors d'équilibre.Pour terminer, nous étudions la transition métal-isolant induite par un champ électrique de Ca2RuO4, qui coexiste avec une transition structurelle.Un algorithme basé sur l'approximation sans croisement nous permettent de calculer le courant en fonction du champ crystallin dans ce matériauet de comparer nos résultats aux données expérimentales.