Des calculs stochastiques aux calculs déterministes des diagrammes de Feynman pour la nanoélectronique quantique Nous étudions le modèle d'impureté d'Anderson, un modèle pour les points quantiques, qui capture théoriquement la physique de l'effet Kondo. L'effet Kondo a été initialement étudié dans des métaux avec des impuretés magnétiques. De telles impuretés magnétiques peuvent être construites en nanoélectronique comme des points quantiques en interaction couplés aux fils.Bien que le modèle d'impureté d'Anderson soit simple, les solutions analytiques sont rares et seules quelques méthodes numériques peuvent le traiter hors équilibre. L'une d'entre elles est la méthode de Monte Carlo quantique diagrammatique en temps réel, où le problème d'interaction entre plusieurs corps est exprimé sous la forme d'une série de perturbations aux puissances de la force d'interaction. Chaque terme est une somme de tous les diagrammes de Feynman d'ordre n, qui sont eux-mêmes des intégrales à n dimensions [Phys. Rev. B 91, 245154 (2015)]. L'intégration est réalisée avec un algorithme de Metropolis-Hastings. Elle est entravée par un taux de convergence 1/√N, où N est le nombre de points calculés.Dans ce travail, nous avons remplacé l'algorithme de Metropolis-Hastings par la méthode d'intégration quasi-Monte-Carlo, où l'intégrande est échantillonné directement avec des points déterministes à faible écart conçus pour être aussi uniformes que possible. Le taux de convergence est de 1/N si la fonction est suffisamment lisse. L'étape cruciale de cette approche est le warping : transformer l'intégrale dans une forme plus lisse (plus plate) avec une fonction modèle. Nous basons la fonction modèle sur la propriété de clusterisation discutée dans Phys. Rev. B 91, 245154 (2015).Nous avons vérifié la méthode avec une solution d'ansatz de Bethe pour la charge sur le point quantique. Ce cas est favorable et l'accélération obtenue est de plusieurs ordres de grandeur. L'accélération nous a permis d'explorer la caractéristique courant-tension à travers le point quantique. Nous avons également appliqué la nouvelle méthode au calcul d'une dépendance complète en fréquence des fonctions de Green [Phys. Rev. B 100, 125129 (2019)]. Lorsque les paramètres sont moins favorables (présence du problème du signe), le taux de convergence obtenue est compris entre 1/√N et 1/N. L'accélération est comprise entre deux et trois ordres de grandeur. Enfin, nous avons étudié des exemples où l'intégrande n'est pas suffisamment lisse et le taux de convergence est de 1/√N. Nous avons identifié le problème du signe comme étant la cause du ralentissement.
Des calculs stochastiques aux calculs déterministes des diagrammes de Feynman pour la nanoélectronique quantique Nous étudions le modèle d'impureté d'Anderson, un modèle pour les points quantiques, qui capture théoriquement la physique de l'effet Kondo. L'effet Kondo a été initialement étudié dans des métaux avec des impuretés magnétiques. De telles impuretés magnétiques peuvent être construites en nanoélectronique comme des points quantiques en interaction couplés aux fils.Bien que le modèle d'impureté d'Anderson soit simple, les solutions analytiques sont rares et seules quelques méthodes numériques peuvent le traiter hors équilibre. L'une d'entre elles est la méthode de Monte Carlo quantique diagrammatique en temps réel, où le problème d'interaction entre plusieurs corps est exprimé sous la forme d'une série de perturbations aux puissances de la force d'interaction. Chaque terme est une somme de tous les diagrammes de Feynman d'ordre n, qui sont eux-mêmes des intégrales à n dimensions [Phys. Rev. B 91, 245154 (2015)]. L'intégration est réalisée avec un algorithme de Metropolis-Hastings. Elle est entravée par un taux de convergence 1/√N, où N est le nombre de points calculés.Dans ce travail, nous avons remplacé l'algorithme de Metropolis-Hastings par la méthode d'intégration quasi-Monte-Carlo, où l'intégrande est échantillonné directement avec des points déterministes à faible écart conçus pour être aussi uniformes que possible. Le taux de convergence est de 1/N si la fonction est suffisamment lisse. L'étape cruciale de cette approche est le warping : transformer l'intégrale dans une forme plus lisse (plus plate) avec une fonction modèle. Nous basons la fonction modèle sur la propriété de clusterisation discutée dans Phys. Rev. B 91, 245154 (2015).Nous avons vérifié la méthode avec une solution d'ansatz de Bethe pour la charge sur le point quantique. Ce cas est favorable et l'accélération obtenue est de plusieurs ordres de grandeur. L'accélération nous a permis d'explorer la caractéristique courant-tension à travers le point quantique. Nous avons également appliqué la nouvelle méthode au calcul d'une dépendance complète en fréquence des fonctions de Green [Phys. Rev. B 100, 125129 (2019)]. Lorsque les paramètres sont moins favorables (présence du problème du signe), le taux de convergence obtenue est compris entre 1/√N et 1/N. L'accélération est comprise entre deux et trois ordres de grandeur. Enfin, nous avons étudié des exemples où l'intégrande n'est pas suffisamment lisse et le taux de convergence est de 1/√N. Nous avons identifié le problème du signe comme étant la cause du ralentissement.
Calcul numérique exact des diagrammes de Feynman pour la physique de Kondo hors équilibre en utilisant l'Interpolation de Tenseur par produit de Croix La physique des systèmes quantiques à N-corps révèle l’émergence de nombreux phénomènes collectifs inattendus, tels que l'anomalie 0.7, l'effet Kondo ou la supraconductivité à haute température critique. D'un point de vue théorique, la description de ces systèmes est complexe en raison de l’augmentation exponentielle de la taille de l’espace des états en fonction du nombre de particules. Par exemple, la compréhension quantitative de l’effet Kondo a nécessité le développement de nouveaux concepts et outils mathématiques, dont le groupe de renormalisation (numérique). Ce travail pionnier, qui valut à Wilson le prix Nobel en 1978, a ouvert la voie à de nombreuses avancées.Dans cette thèse, nous nous intéressons à la physique des boîtes quantiques, décrites par le modèle d’Anderson. Ce modèle présente une riche phénoménologie, tant dans le domaine de la charge (blocage de Coulomb) que dans celui du spin (effet Kondo). Si ce modèle est bien compris en régime d'équilibre, nous proposons ici une technique novatrice pour étudier ses propriétés dans le régime hors équilibre, un domaine historiquement difficile à traiter. Notre approche permet un calcul exact avec des erreurs contrôlées.Cette méthode est une évolution du « Monte Carlo diagrammatique », qui permet de calculer de manière systématique un très grand nombre de diagrammes de Feynman. Traditionnellement, cette technique échantillonne l’espace des diagrammes de façon stochastique. Dans notre travail, nous avons remplacé cette approche par une méthode d’apprentissage machine, basée sur les réseaux de tenseurs et l'algorithme d'interpolation par produit de croix. Ce dernier détecte et exploite la structure spécifique de l’espace des diagrammes, accélérant ainsi considérablement les calculs. Il présente l’avantage majeur d’être insensible au problème de signe qui limite les approches stochastiques.Grâce à cette nouvelle technique, nous avons pu calculer l’ensemble des diagrammes jusqu’à des ordres bien plus élevés qu’auparavant (<30), ce qui nous a permis de dévoiler la physique des boîtes quantiques hors équilibre avec une précision inégalée.
Algorithme Monte-Carlo pour les systèmes quantiques à fortes interactions et hors d'équilibre en nanoélectronique Les problèmes quantiques à plusieurs corps hors d'équilibre concentrent de plus en plus d'attention en physique de la matière condensée. Par exemple, les systèmes d'électrons en interaction soumis à un champ électrique externe (constant ou variable) sont un sujet d'étude important en nanoélectronique, mais aussi plus récemment en science des matériaux, afin d'identifier de nouveaux états de la matière hors d'équilibre. Dans cette thèse, une nouvelle méthode numérique et générique a été conçue pour ces systèmes, et appliquée au modèle d'impureté d'Anderson. Ce modèle représente fidèlement un point quantique couplé à une ou plusieurs électrodes, et rends compte à l'équilibre de l'effet Kondo : une manifestation des interactions Coulombiennes au sein du point quantique. Cette méthode a permis d'observer la disparition de l'effet Kondo lorsque le point quantique est conduit hors d'équilibre par une différence de potentiel. Le cœur de la méthode utilise un algorithme Monte-Carlo Quantique diagrammatique. Il s'agit d'une version optimisée de l'algorithme de Profumo et al. [Phys. Rev. B 91, 245154 (2015)], qui calcule des observables dépendantes du temps ou des fonctions de corrélations à travers leurs séries de perturbation en puissances de la force de l'interaction U. Le problème de la divergence de ces séries à grand U est traité par une méthode de resommation robuste. Elle analyse la structure analytique des séries dans le plan complexe en U afin de proposer une régularisation sur mesure par transformation conforme du plan complexe. En post-traitement, une technique Bayésienne permet d'inclure des informations non perturbatives pour réduire les barres d'erreurs qui ont été exacerbées par la resommation. Cette méthode pourrait être appliquée à l'étude de matériaux hors d'équilibre grâce aux algorithmes de "quantum embedding", comme la théorie dynamique de champs moyen, qui permettent l'étude de modèles de réseaux par la résolution d'un problème d'impureté autocohérent.
Cette thèse contribue au développement d’approches diagrammatiques systématiques pour le problème quantique à N corps, qui consistent à calculer une expansion en diagrammes de Feynman à un ordre arbitraire sans contrainte de paramètre petit. La forme standard du problème de signe fermionique - augmentation exponentielle de l’erreur statistique avec le volume - n’affecte pas ces méthodes car elles fonctionnent directement dans la limite thermodynamique. Par conséquent, elles sont un outil puissant pour la simulation de la matière quantique. La partie I de la thèse est consacrée au gaz de Fermi unitaire, un modèle de fermions fortement corrélés réalisé avec précision dans des expériences d’atomes froids. Nous montrons que les quantités physiques peuvent être extraites de la série diagrammatique divergente par une transformation de Borel conforme spécifiquement conçue. Nos résultats, qui sont en accord avec les expériences, démontrent qu’une série diagrammatique peut être resommée de manière fiable pour une théorie fermionique sans contrainte de paramètre petit. Dans la partie II, nous présentons un nouvel algorithme pour calculer les expansions diagrammatiques à ordre élevé. Tous les diagrammes Feynman connectés sont sommés à un ordre donné avec un temps de calcul beaucoup plus petit que le nombre de diagrammes. En utilisant cette technique, on peut simuler des fermions sur un réseau infini en temps polynomial. Pour preuve, nous l’appliquons au modèle d’Hubbard à couplage faible, en obtenant des résultats avec une précision record. Enfin, dans la partie III, nous abordons le problème de la convergence erronée des schémas diagrammatiques habillés, qui est lié à une ramification de la fonctionnelle de Luttinger-Ward. Après avoir étudié un modèle-jouet, nous montrons que le caractère erroné de la convergence peut être exclu pour une grande classe de schémas diagrammatiques, et aussi pour le schéma complètement habillé, sous certaines conditions.
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.
Contributions aux theories diagrammatiques non-biasees des fermions en interaction Cette thèse contribue au développement d’approches diagrammatiques systématiques pour le problème quantique à N corps, qui consistent à calculer une expansion en diagrammes de Feynman à un ordre arbitraire sans contrainte de paramètre petit. La forme standard du problème de signe fermionique - augmentation exponentielle de l’erreur statistique avec le volume - n’affecte pas ces méthodes car elles fonctionnent directement dans la limite thermodynamique. Par conséquent, elles sont un outil puissant pour la simulation de la matière quantique. La partie I de la thèse est consacrée au gaz de Fermi unitaire, un modèle de fermions fortement corrélés réalisé avec précision dans des expériences d’atomes froids. Nous montrons que les quantités physiques peuvent être extraites de la série diagrammatique divergente par une transformation de Borel conforme spécifiquement conçue. Nos résultats, qui sont en accord avec les expériences, démontrent qu’une série diagrammatique peut être resommée de manière fiable pour une théorie fermionique sans contrainte de paramètre petit. Dans la partie II, nous présentons un nouvel algorithme pour calculer les expansions diagrammatiques à ordre élevé. Tous les diagrammes Feynman connectés sont sommés à un ordre donné avec un temps de calcul beaucoup plus petit que le nombre de diagrammes. En utilisant cette technique, on peut simuler des fermions sur un réseau infini en temps polynomial. Pour preuve, nous l’appliquons au modèle d’Hubbard à couplage faible, en obtenant des résultats avec une précision record. Enfin, dans la partie III, nous abordons le problème de la convergence erronée des schémas diagrammatiques habillés, qui est lié à une ramification de la fonctionnelle de Luttinger-Ward. Après avoir étudié un modèle-jouet, nous montrons que le caractère erroné de la convergence peut être exclu pour une grande classe de schémas diagrammatiques, et aussi pour le schéma complètement habillé, sous certaines conditions.
Dissipative quantum impurity models Cette thèse porte sur l’étude des modèles d’impureté quantique dissipatifs. Les modèles d’impureté quantique décrivent un système quantique localisé, appelé impureté, qui interagit avec un réservoir quantique, permettant d’explorer des phénomènes essentiels tels que l’effet Kondo dans les impuretés magnétiques et les propriétés de transport. Une extension intéressante de ces modèles consiste à explorer l’interaction entre les fortes corrélations et la dissipation. La dissipation, souvent décrite par l’équation maîtresse de Lindblad dans sa limite Markovienne, présente des défis et des opportunités en interagissant avec les effets cohérents à N-corps. Dans cette thèse, nous cherchons à étudier les dynamiques hors équilibre des systèmes d’impureté quantique influencés à la fois par les fortes corrélations et la dissipation. Nous commençons par développer des méthodes numériques, notamment une technique de Monte Carlo diagrammatique, pour analyser la dynamique en temps réel des modèles d’impureté quantique dissipatifs. Nos résultats montrent que la dissipation Markovienne locale améliore la convergence de l’échantillonnage Monte Carlo en restreignant le processus à un sous-espace réduit de diagrammes. Cela permet de réduire efficacement le problème de signe et facilite l’exploration de plus longues échelles de temps par rapport aux approches unitaires usuelles. Dans la deuxième partie, nous dérivons une carte dynamique auto-cohérente en utilisant l’Approximation Sans Croisement (NCA) pour étudier le comportement à long temps des modèles d’impureté quantique dissipatifs. Cette méthode résume efficacement les diagrammes dans une équation de Dyson auto-cohérente, capturant des effets environnementaux non-markoviens essentiels, y compris l’effet Kondo. Dans la troisième partie, nous examinons la relation entre la physique de Kondo et la dissipation markovienne en étudiant une boîte quantique interactive couplée à un réservoir métallique sous une surveillance continue de sa charge. Nous mettons en évidence un crossover entre le régime de Kondo et l’effet Zeno quantique, modélisé par un Kondo non hermitien, qui montre la robustesse de l’effet Kondo sous faible dissipation. Enfin, la dernière partie explore les effets des pertes de particules sur l’effet Kondo et la transition Kondo-Zeno. Les résultats préliminaires indiquent que, bien que les pertes d’une seule particule réduisent significativement les effets collectifs à N-corps, les pertes à deux corps introduisent des phénomènes intrigants, tels qu’une décroissance du spin et des indices de la transition Kondo-Zeno, ainsi qu’une fonction spectrale inhabituelle présentant une forme de ligne à basse fréquence.