Rozprawy doktorskie na temat „Anomalies quantiques”

Les cristaux para'electriques quantiques sont des
di'electriques qui devraient ?etre ferro'electriques
en dessous de la temp'erature de Curie­Weiss Tc .
Que se passe­t­il ? A basse temp'erature, les
fluctuations ferro'electriques sont contr?ol'ees par
un mode de vibration transverse optique (TO),
dit ferro'electrique qui devient mou (sa fr'equence
diminue) au centre de la zone de Brillouin lorsque
la temp'erature d'ecro?it. Mais pour T ! T q ¸ Tc ,
le fort mouvement quantique de point z'ero de l'ion
central (Ta dans KTaO3) emp?eche la condensation
du mode ferro'electrique, dont la fr'equence se sta­
bilise `a basse 'energie. La constante di'electrique
ffl sature `a une tr`es grande valeur, et un fort cou­
plage avec le mode transverse acoustique devient
visible.
En 1991, K.A. M¨uller, d'apr`es une 'etude RPE,
envisage une transition de phase d'un nouveau
type dans ces mat'eriaux. B. Hehlen et E.
Courtens s'int'eressent alors aux propri'et'es basses
fr'equences du SrTiO3 et du KTaO3 . Les 'etudes
de diffusion neutronique, mais surtout Brillouin,
montrent alors, parmi les nombreuses anomalies,
une nouvelle excitation tr`es basse fr'equence, qu'ils
attribuent au second son, la propagation ondula­
toire de la chaleur.
Ce travail pr'esente des r'esultats originaux
obtenus en diffusion neutronique et Brillouin `a
basse temp'erature (5­300 K). Une param'etrisation
des nappes de phonons dans KTaO3 a servi de
base au calcul de la largeur normale des phonons,
de la vitesse th'eorique du second son, dans le cas
o`u il serait effectivement observable, et du spectre
complet de diffusion Brillouin par des processus de
diff'erence de deux phonons. La comparaison des
simulations avec l'exp'erience montre un bon ac­
cord pour le calcul des largeurs et des nappes, et le
processus physique observ'e en spectroscopie Bril­
louin est probablement celui de diff'erence de deux
phonons. Les diff'erents aspects de la dynamique
des phonons basse fr'equence peuvent ?etre unifi'es
au sein d'une th'eorie de diffusion Brillouin au sec­
ond ordre.
Mots clefs : phonons, para'electriques quan­
tiques, second son, anharmonicit'e, diffusion neu­
tronique, spectroscopie Brillouin, mod'elisation et
simulation num'erique, KTaO3 , SrTiO3 .

Les cristaux paraelectriques quantiques sont des dielectriques qui devraient etre ferroelectriques en dessous d'une temperature de curie-weiss t#c. A basse temperature, les fluctuations ferroelectriques sont controlees par un mode critique de vibration transverse optique (to), dit ferroelectrique qui devient mou au centre de la zone de brillouin lorsque la temperature decroit. Mais pour t < t#q t#c, le fort mouvement quantique de point zero de l'ion central (ta dans ktao#3) empeche la condensation du mode ferroelectrique, dont la frequence #t#o se stabilise a basse energie. La constante dielectrique sature a une tres grande valeur, et un fort couplage avec le mode transverse acoustique devient visible. En 1991, k. A. Muller, d'apres une etude rpe, envisage une transition de phase d'un nouveau type dans ces materiaux. B. Hehlen et e. Courtens s'interessent alors aux proprietes basses frequences du srtio#3 et du ktao#3. Les etudes de diffusion neutronique, mais surtout brillouin, montrent alors, parmi les nombreuses anomalies, une nouvelle excitation tres basse frequence, qu'ils attribuent au second son, la propagation ondulatoire de la chaleur. Ce travail presente des resultats nombreux et originaux obtenus en diffusion neutronique et brillouin a basse temperature (5-300 k) dans ktao#3 pour et dope au sodium. Une parametrisation des nappes de phonons dans ktao#3 a servi de base au calcul de la largeur normale des phonons, de la vitesse theorique du second son, dans le cas ou il serait effectivement observable, et du spectre complet de diffusion brillouin par fluctuations de densite de phonons. La comparaison des simulations avec l'experience montre un bon accord pour le calcul des largeurs et des nappes, et le processus physique observe en spectroscopie brillouin est probablement celui de difference de deux phonons. Les differents aspects de la dynamique des phonons basse frequence peuvent etre unifies au sein d'une theorie de diffusion brillouin au second ordre.

La Théorie Quantique des Champs (TQC) est un formalisme riche et complexe qui s'est avéré remarquablement fructueux au cours des dernières décennies. Multitudes de travaux ont permis d'améliorer considérablement notre compréhension de la TQC, même s'il reste encore beaucoup à découvrir. L'objectif de cette thèse de doctorat est de contribuer à une meilleure compréhension de certains aspects de la TQC, notamment les Théories Effectives des Champs (TEC) en gravité et les anomalies quantiques (gravitationnelles).Tout au long de cette thèse, notre principal outil sera l'Intégrale de Chemin, qui est particulièrement adaptée pour traiter les TEC et les anomalies en gravité. Le premier chapitre est donc consacré à l'introduction du concept d'Intégrale de Chemin, sa construction, son interprétation et son utilisation en TQC.Le paradigme TEC est en plein essor depuis une dizaine d'années en raison de l'absence de détection directe de nouvelle Physique dans les collisionneurs. Cependant, le Modèle Standard (MS) de la Physique des Particules présente des énigmes non résolues, qui pointent vers de la Physique Au-delà du MS. Cela indique par ailleurs que le MS est une théorie incomplète qui n'est plus valide au-dessus d'une certaine échelle d'énergie, et est donc par définition une TEC. Les effets de la gravité dans les TEC concernent de nombreux scénarios (TQC autour des trous noirs, inflation, systèmes de matière condensée, etc...), cependant, les calculs en gravité peuvent rapidement devenir inextricables. Cela motive le développement d'outils de calcul puissants pour contourner cette difficulté. Le deuxième chapitre de cette thèse est donc consacré à l'introduction à la TEC et à la présentation de nos résultats concernant les calculs de TEC en gravité. De plus, nous comblons un manque dans la littérature concernant les fermions chiraux en gravité dans l'Intégrale de Chemin, et obtenons de nouveaux opérateurs effectifs qui étaient omis auparavant.Le sujet du dernier chapitre de cette thèse est l'étude des anomalies quantiques, qui sont la brisure de symétries classiques par la quantification d'une théorie. Les anomalies apparaissent dans les TEC à basse énergie, et occupent une place prépondérante en raison de leur lien aux invariants topologiques. En conséquence, les anomalies topologiques sont indépendantes de l'échelle d'énergie de la TEC, et fournissent un aperçu direct des effets à haute énergie. Outre leur nature topologique, elles ont d'importantes implications phénoménologiques, l'exemple historique étant la désintégration des pions en deux photons. Les anomalies sont centrales dans la compréhension des TQC, et ont fait l'objet de nombreux débats jusqu'à très récemment. Comme nous le verrons, les difficultés sont principalement dues à leur lien crucial à des divergences qui nécessitent une régularisation et une renormalisation. Ces difficultés sont exacerbées en gravité lorsque plusieurs symétries sont imbriquées. En plus de ces discussions, plusieurs de nos résultats sont présentés dans le chapitre 3. Nous proposons d'abord une méthode efficace pour extraire les anomalies des TEC tout en maintenant sous contrôle les symétries non-anomales. Nous contribuons ensuite à résoudre une controverse concernant la présence de violation de parité dans l'anomalie de trace d'un fermion de Weyl. Enfin, nous étendons notre résultat précédent pour conclure sur l'absence de violation de parité dans l'anomalie de trace, indépendamment d'un modèle
Quantum Field Theory (QFT) is a rich and complex formalism that has proved to be tremendously fruitful over the past decades. Collective endeavor has allowed to greatly enhance our understanding of QFT, yet there remains much to unravel. The aim of this Ph.D. thesis is to help achieve a better understanding of some aspects of QFT, namely Effective Field Theories (EFTs) in curved spacetime and quantum (gravitational) anomalies.Throughout this thesis, our main tool will be the Path Integral, which is particularly suited when dealing with EFTs and anomalies in gravity. The first Chapter is thus dedicated to introducing the concept of Path Integral, its construction, its interpretation, and its use in QFT.The EFT paradigm has been in full swing for about a decade due to the lack of direct detection of new Physics in experiments. However, the Standard Model (SM) of Particle Physics exhibits unsolved puzzles, which call for Beyond the SM (BSM) models to resolve them. This indicates that the SM is an incomplete theory that breaks down above some energy scale, which is by definition an EFT. The effects of gravity in EFTs pertain to many scenarii (QFT around black holes, inflation, condensed matter systems, etc...), however computations in curved spacetime can quickly become untractable. This motivates the development of powerful computational tools to circumvent that difficulty. The second Chapter of this thesis is thus dedicated to introducing the EFT paradigm, and to presenting our results concerning EFT computations in gravity. As an interesting novelty, we fill a dearth in the literature concerning chiral fermions in gravity in the Path Integral, and obtain new effective operators that were omitted before.The subject of the last Chapter of this thesis is the study of quantum anomalies, which are the breaking of classical symmetries upon quantisation of the theory. Anomalies occur in low energy EFTs, and hold a prominent place due to their relation to topological invariants. As a result, topological anomalies are independent from the energy scale of the EFT, and provide direct insight into high energy effects. Besides their topological nature, they have important phenomenological implications, the historical example being the decay of pions into two photons. Anomalies are central in the understanding of QFTs, and have been the subject of many debates up until very recently. As we will see, difficulties are mainly due to their crucial link to divergences that need regularising and renormalising. These difficulties are exacerbated in curved spacetime when several symmetries are intertwined. Along with these discussions, several of our results are presented in Chapter 3. We first propose an efficient method to extract anomalies from EFTs while keeping non-anomalous symmetries under control. We then help solving a controversy regarding the presence of parity violating effects in the trace anomaly of a Weyl fermion. Finally, we extend our previous result to conclude on the absence of parity violating contributions to the trace anomaly in a model-independent manner

La thèse, composée de trois parties, est consacrée à des problèmes physiques différents reliés à la Théorie Conforme des Champs (CFT) bidimensionnelle. La première partie s'intéresse aux propriétés de transport hors d'équilibre à travers une jonction de fils quantiques. Trois modèles y sont étudiés. Le premier décrit les fils par un champs bosonique libre compactifié vu comme la bosonisation du liquide de Luttinger d'électrons. La jonction des fils est modélisée par une condition limite assurant la diffusion non triviale des charges entre les fils. Associant la quantification canonique et l'intégrale fonctionnelle, on calcule exactement les fonctions de corrélation des courants dans l'état d'équilibre du modèle, mais aussi dans un état stationnaire hors d'équilibre, ainsi que la statistique complète de comptage pour les transferts de charge et d'énergie entre les fils maintenus en températures et potentiels différents. Les deux autres modèles d'une jonction de fils quantiques sont basés sur la théorie de Wess-Zumino-Witten (WZW). Dans le premier, la jonction est décrite par une "brane cyclique" et dans le deuxième, par une "brane coset". Les résultats dans le premier cas sont aussi complets que pour le champ libre, mais les charges y sont entièrement transmises d'un fils au suivant. Dans le deuxième cas, la diffusion des charges n'est pas triviale, mais le modèle se révèle difficile à résoudre. La deuxième partie de la thèse étudie les anomalies globales de jauge dans les modèles "coset" de CFT réalisés comme la théorie WZW jaugée. La classifications (presque) complète de telles anomalies, lesquelles rendent certains modèles coset inconsistants, est présentée. Elle emploie la classification des sous-algèbres des algèbres de Lie simples due à Dynkin. Finalement, la troisième partie de la thèse décrit la construction géométrique d'indice des familles d'opérateurs unitaires obtenues des projecteurs sur les bandes de valence d'un isolant topologique bidimensionnel invariant par renversement du temps. L'indice construit est relié d'un côté à la racine carrée de l'amplitude de Wess-Zumino d'une telle famille, et, de l'autre, il reproduit l'invariant de Kane-Mele de l'isolant. La dernière identification exige un argument complexe qui exploite une nouvelle anomalie de jauge pour les modèles WZW à bord. Les trois parties de la thèse emploient des outils géométriques de CFT assez semblables, permettant d'obtenir toute une série des résultats originaux. Cette unité de méthode, ainsi que le thème des anomalies, constituent le trait d'union entre les différents composants du manuscrit
The thesis, consisting of three parts, is focusing on different physical problems that are related to two dimensional Conformal Field Theory (CFT).The first part deals with nonequilibrium transport properties across a junction of quantum wires. Three models are studied. The first one describes the wires by a free compactified bosonic field, seen as the bosonization of the Luttinger liquid of electrons. The junction of the wires is modeled by a boundary condition that ensures nontrivial scattering of the charges between the wires. Combining canonical quantization and functional integral, we compute exactly the current correlation functions in equilibrium, but also in a nonequilibrium stationary state, as well as the full counting statistics of charge and energy between the wires set at different temperatures and potentials. The two other models of quantum wire junction are based on Wess-Zumino-Witten theory (WZW). In the first one, the junction is described by a “cyclic brane” and in the second, by a “coset brane”. The results in the first case are as complete as for the free field, but the charges are fully transmitted from one wire to the next one. In the second case, the scattering is nontrivial, but the model turns out to be difficult to solve.The second part of the thesis studies the global gauge anomalies in “coset” models of CFT, realized as gauged WZW theories. The (almost) complete classification of such anomalies, that lead to some inconsistent coset models, is presented. It is based on Dynkin classification of subalgebras of simple Lie algebras.Finally, the third part of the thesis describes the geometric construction of index from unitary operator families obtained from valence band projectors of a two-dimensional time-reversal invariant topological insulator. The index is related on one hand to the square root of the Wess-Zumino amplitude of such a family, and, on the other hand, it reproduces the Kane-Mele invariant of the insulator. The last identification requires a nontrivial argument that uses a new gauge anomaly of WZW models with boundary.The three parts of the thesis use similar geometrical tool of CFT, that permits to obtain several original results. The unity in the method, as well as the topic of anomalies, builds a bridge between the different components of the manuscript

Dans le contexte de la correspondance AdS/CFT, nous calculons quelques dimensions anormales d'opérateurs composites dans la théorie de Super Yang-Mills N=4. A cette fin, nous utilisons un "truc" reposant sur les propriétés de ces opérateurs en tant que représentations superconformes prµes du bord d'unitarité. Nous gagnons ainsi un ordre en perturbation. Nous déterminons d'abord le mélange définissant ces opérateurs, puis leurs dimensions anormales jusqu'à trois boucles pour deux opérateurs de la famille des BMN, à un boucle pour les opérateurs de twist deux. Nos résultats confirment les prédictions venant de la théorie des cordes à travers la correspondance AdS/CFT
In the context of the AdS/CFT correspondence, we calculate the anomalous dimensions of some composite operators in the N=4 Super Yang-Mills theory. We use a trick relying on the properties of these operators considered as superconformal representations near the unitarity bound. In this way we gain an order in perturbation theory. Our method requires understanding how these composite operators mix in the quantum theory. We thus found the anomalous dimension of two operators from the BMN family up to three loops, and the anomalous dimensions of the twist-two operators up to one loop. Our results confirm the predictions coming from string theory via the AdS/CFT correspondence

Nous étudions les conséquences cosmologiques des anomalies de Weyl qui émergent de la renormalisation des opérateurs composés des champs, y compris la métrique. Ces anomalies sont codifiées dans les habillements gravitationnels des opérateurs dans une action effective quantique non-locale. Nous obtenons les équations d'évolution qui découlent de cette action et nous en cherchons des solutions cosmologiques. Par simplicité on se limite à la gravité d'Einstein-Hilbert avec une constante cosmologique. Nous initions par considérer la gravité en deux dimensions, où la théorie de Liouville nous permet de calculer l'habillement gravitationnel de la constant cosmologique. Avec une formulation invariante de Weyl, nous déterminons l'action effective et le tenseur de moment correspondant, qui deviennent non-locaux. Les anomalies de Weyl modifient le tenseur entier, pas seulement sa trace, et nous trouvons une énergie du vide qui décline avec le temps et un ralentissement de l'expansion de de Sitter à une de quasi-de Sitter. En quatre dimensions, motivés par nos résultats en deux dimensions, nous paramétrisons l'action effective avec des habillements gravitationnels générales. Dans le cas des dimensions anormales constantes, le tenseur de moment conduit encore à une énergie du vide qui décline et une expansion de quasi-de Sitter de roulement lent. Les dimensions anormales sont calculables à priori dans une certaine théorie microscopique avec des méthodes semi-classiques. Même si les dimensions anormales sont petites en théorie des perturbations, leur contribution intégrée le long des plusieurs e-folds pourrait mener à des effets significatifs pendant la cosmologie primordiale
In this thesis we study the cosmological consequences of Weyl anomalies arising from the renormalization of composite operators of the fundamental fields, including the metric. These anomalies are encoded in the gravitational dressings of the operators in a non-local quantum effective action. We derive the evolution equations that follow from this action and look for cosmological solutions. For simplicity, we focus on Einstein-Hilbert gravity with a cosmological constant. We first consider two-dimensional gravity, where Liouville theory allows us to compute the gravitational dressing of the cosmological constant operator. Using a Weyl-invariant formulation, we determine the gauge-invariant but non-local effective action, and compute the corresponding non-local momentum tensor. The Weyl anomalies modify the full quantum momentum tensor, not only its trace, and hence lead to interesting effects in the cosmological dynamics. In particular, we find a decaying vacuum energy and a slow-down of the de Sitter expansion. In four dimensions, motivated by our results in two dimensions, we parametrize the effective action with scale-dependent gravitational dressings, and compute the general evolution equations. In the approximation of constant anomalous dimensions, the momentum tensor leads to a decaying vacuum energy and a slow-roll quasi-de Sitter expansion, just as in two dimensions. The anomalous dimensions are in principle computable in a given microscopic theory using semiclassical methods. Even though the anomalous dimensions are small in perturbation theory, their integrated effect over several e-folds could add up to something significant during primordial cosmology

Cette thèse est consacrée à l'étude des relations entre des anomalies traciales et : -des anomalies en théorie des champs quantiques -illustrées par le cas de modèles de Chern-Simons- d'une part ; -la dualité en théorie des champs antisymétriques, avec l'étude de la factorisation de la géométrie des fibrés déterminants associés à des familles de complexes elliptiques, d'autre part. On montre que l'anomalie provenant d'une ambigüité de phase pour les déterminants zêta-regularisés, qui décrivent des fonctions de partitions dans des théories de Chern-Simons, peut être interprétée comme une anomalie traciale. Ceci s'explique par le fait que les traces régularisées ne commutent pas avec la différentiation extérieure. Pouvant s'exprimer en termes de résidus de Wodzicki, ces anomalies traciales héritent d'une propriété de localité. En appliquant l'Ansatz de Schwarz pour des fonctions de partition en théorie des champs antisymétriques, la dualité peut s'interpréter comme factorisation de la torsion analytique, qui peut être vue comme métrique sur l'espace déterminant associé à un complexe de Rham acyclique. On étend ceci à une "factorisation" de la géométrie du fibré déterminant associé à une famille de complexes elliptiques en montrant que la courbure de la connexion de Bismut-Freed se décompose en une somme de deux formes qui, en conséquence de la localité des anomalies traciales, sont elles-mêmes porteuses de cette propriété de localité. Cette thèse présente de plus une approche utilisant l'outil des intégrales de Fresnel pour donner un sens aux intégrales de chemin qui sous-tendent les calculs formels utilisés par les physiciens pour établir une dualité entre des fonctions de partition de théorie des champs antisymétriques

Le travail illustré par ce manuscrit de thèse présente l'étude structurale d'hétéro-structures semi-conductrices à base de nitrures d'éléments III avec l'un des outils les plus puissants de la recherche scientifique: le rayonnement synchrotron. La cartographie haute résolution de l'espace réciproque, la diffraction anomale multi-longueur d'onde, la spectroscopie d'absorption X et la spectroscopie en condition de diffraction nous ont permis de caractériser la structure à l'échelle atomique de différentes régions d'un même système. Dans un premier temps, nous montrons que les nanofils GaN sur Si(111) ont une polarité N et proposons un mécanisme de nucléation. Dans un second temps, nous mettons en évidence un phénomène d'inter-diffusion stimulée par la contrainte dans les boîtes quantiques GaN / AlN recuites à haute température. Enfin, nous observons la présence d'un ordre local à courte distance dans les nanofils coeur-coquille InGaN / GaN. Cette organisation atomique pourrait être induite par la présence de contrainte, nous avons initié une étude de l'anisotropie de l'ordre à courte distance pour explorer cette hypothèse.

Dans cette thèse, nous nous intéressons par des approches probabilistes à la gravité quantique de Liouville, introduite par Polyakov en 1981 sous la forme d'une intégrale de chemin sur les surfaces 2d. Pour définir cette intégrale de chemin avec interaction exponentielle, nous partons du chaos multiplicatif Gaussien, l'outil fondamental pour définir l'exponentielle des champs Gaussiens de corrélation logarithmique. Dans un premier temps, nous généralisons la construction de la gravité quantique de Liouville sur la sphère de Riemann à une autre géométrie avec bord, celle du disque unité. La nouveauté de ce travail réalisé en collaboration avec R.Rhodes et V.Vargas, est d'analyser avec soin le terme du bord dans l'intégrale de chemin ainsi que l'interaction entre la mesure du bord et la mesure du disque. Nous établissons rigoureusement les formules de la théorie conforme des champs en physique, telles que la covariance conforme, la formule KPZ, l'anomalie de Weyl ainsi que la borne de Seiberg. Une borne de Seiberg relaxée dans le cas de la gravité de Liouville à volume total fixé sur le disque est aussi formulée et étudiée. Dans la seconde moitié de cette thèse, nous comparons cette construction à la Polyakov avec une autre approche de la gravité quantique de Liouville. En collaboration avec deux autres jeunes chercheurs J.Aru et X.Sun, nous fournissons une correspondance entre ces deux approches dans un cas simple et important, celui de la sphère de Riemann avec trois points marqués. En mélangeant les techniques de ces deux approches, nous fournissons une nouvelle procédure d'approximation qui permet de relier ces deux différentes approches
In this thesis, we study the theory of Liouville Quantum Gravity via probabilist approach, introduced in the seminal paper of Polyakov in 1981, using path integral formalism on 2d surfaces. To define this path integral with exponential interaction, we started from the theory of Gaussian Multiplicative Chaos in order to define exponential of log-correlated Gaussian fields. In the first part, we generalise the construction of Liouville Quantum Gravity on the Riemann sphere to another geometry, the one of the unit disk. The novelty of this work, in collaboration with R.Rhodes and V.Vargas, is to analyse carefully the boundary term in the path integral formalism and its interaction with the bulk measure. We establish rigorously formulae from Conformal Field Theory in Physics, such as conformal covariance, KPZ relation, conformal anomaly and Seiberg bounds. A relaxed Seiberg bound in the unit volume case of Liouville Quantum Gravity on the disk is also announced and studied. In the second part of this thesis, we compare this construction in the spirit of Polyakov to another approach to the Liouville Quantum Gravity. In collaboration with two other young researchers, J.Aru and X.Sun, we give a correspondance between these two approaches in a simple but conceptually important case, namely the one on the Riemann sphere with three marked points. Using technics coming from these two approches, we give a new way of regularisation procedure that eventually allow us to link these two pictures

La synthèse du graphène reste une étape problématique mais la technique par dépôt de vapeur chimique sur les métaux a beaucoup progressé ces trois dernières années, c'est-à-dire depuis que l'on sait qu'il est possible de retirer sans le dénaturer le graphène de son support métallique. Cette étape de transfert appelle à l'étude de la force d'interaction qui a lieu entre graphène et métal. L'influence de cette liaison graphène-métal sur la structure électronique a déjà été largement étudiée et nous proposons plutôt ici de nous pencher sur la dispersion des phonons. Celle du graphène isolé est d'ailleurs remarquable pour les deux grandes anomalies de Kohn (KA) qu'elle présente sur sa branche de plus haute fréquence aux points de haute symétrie Gamma et K. La pente de la dispersion autour de ces KA est une mesure directe du couplage électron-phonon (EPC) entre ces modes de phonons et les électrons des points de Dirac. Nous avons montré que cet EPC, qui a par exemple beaucoup d'influence sur la mobilité électronique ou sur le processus de résonnance Raman, est fortement altéré suite à l'interaction avec certains substrats métalliques. Lors de notre étude ab initio du graphène sur nickel(111), nous avons en effet observé une disaparition complète des anomalies de Kohn. Ceci est dû à la forte hybridation entre les bandes pi du graphène et les bandes d du nickel. La spéctroscopie Raman et la diffraction électronique à basse énergie sont des moyens efficaces et courants pour caractériser le graphène sur les substrats métalliques. Nos résultats montrent comment tirer de ces mesures davantage d'informations concernant le caractère physisorbé ou chimisorbé du graphène sur le métal
The fabrication of high quality large-area graphene films is one of the biggest problem. Recently, the synthesis by chemical vapor deposition of hydrocarbons over a metallic substrate have shown promising results. To manage as well as possible the transfer process of the graphene layer in an insulator, it is important to know the interaction strength between the graphene layer and the metallic substrate. We propose in this paper to calculate the phonon dispersion of an adsorbed graphene. The phonon dispersion of graphene is known to display two strong Kohn Anomalies (kinks) in the highest optical branch (HOB) at the high-symmetry points Gamma and K. The phonon slope around the Kohn anomalies is related to the electron-phonon-coupling (EPC) with the graphene pi bands. We show that this EPC, which has strong impact, for example, on Raman scattering and electron transport, can be strongly modified due to interaction with a metallic substrate. For graphene grown on a Ni(111) surface, our ab initio calculations show a total suppression of the Kohn anomaly ; the HOB around Gamma and K becomes completely flat. This is due to the strong hybridization of the graphene pi-bands with the nickel d-bands that lifts the linear crossing of the pi bands at K. Raman spectroscopy and low-energy electron diffraction are quick and reliable methods to characterize graphene on metallic substrates. Our results show how to obtain additional information, by means of vibrational and photoemission spectroscopy, on the chemisorption or physisorption of graphene layers on metal surfaces

La notion d’entropie d’intrication a eu un profond impact sur la physique théorique, particulièrement depuis ces dix dernières années. D’abord introduite afin expliquer l’entropie des trous noirs, son champ d’application s’est par la suite ouvert à une grande variété de domaines de recherche, de la matière condensée à la gravitation quantique, de l’information quantique à la théorie quantique des champs. Dans ce contexte scientifique effervescent, l’entropie d’intrication apparait comme un outil central et doit donc intensivement être étudiée. A l’origine de cette thèse se trouve le désir de mieux comprendre cette entropie. D’intéressants développements concernant les effets de bord sur l’entropie d’intrication ont vu le jour récemment. Nous proposons donc d’explorer comment le bord d’un espace affecte l’entropie, en particulier dans la situation où la surface d’intrication intersecte ce bord. Nous présentons des calculs explicites de l’entropie d’intrication en espace plat avec bords. Nous montrons que des termes induits par ces bords apparaissent dans l’entropie et nous soulignons le rôle prépondérant que jouent les conditions aux bords. Nous étudions ensuite la contribution de bord dans le terme logarithmique de l’entropie d’intrication en dimensions trois et quatre. Nous calculons en premier lieu ce terme en théorie des champs pour la théorie N = 4 de Yang-Mills, puis nous répétons ce calcul de manière holographique. Nous montrons que ces deux méthodes de calcul donnent le même résultat, si du côté théorie des champs les conditions aux bords préservent la moitié de la supersymétrie et que du côté gravité l’extension du bord dans le bulk est une surface minimale
The entanglement entropy has had a tremendous and profound impact on theoretical physics, particularly since the last decade. First introduced in an attempt to explain black holes entropy, it has then found applications in a wide range of research areas, from condensed matter physics to quantum gravity, from quantum information to quantum field theory. In this exciting scientific context, the entanglement entropy has thus emerged as a useful and pivotal tool, and as such justifies the need to be intensively studied. At the heart of this thesis therefore lies the desire to better understand the entanglement entropy. Interesting developments during the recent years concern the boundary effects on the entanglement entropy. This dissertation proposes to explore the question of how the presence of spacetime boundaries affects the entropy, specifically in situations where the entangling surface intersects these boundaries. We present explicit calculations of entanglement entropy in flat spacetime with plane boundaries. We show that boundary induced terms appear in the entropy and we emphasize the prominent role of the boundary conditions. We then study the boundary contribution to the logarithmic term in the entanglement entropy in three and four dimensions. We perform the field theoretic computation of this boundary term for the free N = 4 super-gauge multiplet and then repeat the same calculation holographically. We show that these two calculations are in agreement provided that on the field theory side one chooses the boundary conditions which preserve half of the full supersymmetry and that on the gravity side the extension of the boundary in the bulk is minimal

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l'étude structurale (taille, déformation, composition) de boîtes quantiques GaN/AlN, par spectroscopie X en condition de diffraction et par diffraction et diffusion anomale des rayons X. Ces travaux sont appuyés par des analyses par diffraction des électrons rapides en réflexion (RHEED), par microscopies électronique en transmission (TEM) et à force atomique (AFM), et par diffusion des ions de moyenne énergie (MEIS).
La mesure des structures fines en conditions de diffraction (spectroscopie X en condition de diffraction) et de la diffraction anomale, dans une géométrie en incidence rasante indispensable pour l'étude de nanoobjets, à nécessité des développements expérimentaux spécifiques. Conjointement, un effort particulier a été porté sur la prise en compte des effets dynamiques associés à l'utilisation d'une incidence rasante, dans l'analyse quantitative des résultats. En outre, les résultats ont été confrontés à des simulations des diagrammes de diffraction, des structures fines en condition de diffraction et de la diffraction anomale, sur la base de simulations des champs de déformations dans les boîtes quantiques.
L'encapsulation de boîtes quantiques GaN (0001) par AlN, susceptible de modifier les propriétés structurales et donc optoélectroniques des boîtes, a été étudié, in situ pendant la croissance et ex situ, par diffraction anomale et spectroscopie X en condition de diffraction ou d'absorption, par TEM et AFM. Ces mesures ont permis de proposer un mécanisme d'encapsulation original, et de mettre en évidence l'évolution des propriétés structurales des boîtes pendant l'encapsulation. L'empilement de plans de boîtes quantiques, et les effets de corrélations verticale de la position des boîtes associés, ont par ailleurs été étudié in situ, par diffraction anomale et diffusion aux petits angles en incidence rasante. Par RHEED, une étude préliminaire structurale du mûrissement des boîtes quantiques GaN (0001) a été entreprise. Enfin, AFM, TEM et MEIS ont permis d'analyser les propriétés structurales et optoélectroniques de boîtes quantiques GaN (11-20) auto-organisées.

Nous présentons ici les dispersions de phonons calculées de manière Ab-initio pour les trois chalcogénures de plomb PbS, PbSe et PbTe. Les branches acoustiques obtenues sont en très bon accord avec les expériences d'IXS ("Inelastic Neutron Scattering" - spectroscopie par diffraction inélastique de neutrons). La chaleur spécifique calculée concorde elle aussi avec les résultats expérimentaux. Enfin, le minimum particulièrement marqué de la branche optique transverse (TO) en Gamma induit par la quasi-ferroélectricité est reproduit de manière qualitative. Par ailleurs, nous observons dans nos calculs une chute prononcée sur la branche optique longitudinale (LO) en Gamma. Par le passé, cette baisse était associée à l'écrantage du champ électrique (associé au mode LO) par des porteurs libres suite à la présence d'impuretés. Mais nos calculs montrent que cela persiste même dans le cas de cristaux parfaits de chalcogénures de plomb. Nous expliquons cette chute comme une "quasi-Anomalie de Kohn" associée au faible gap électronique au point de haute symétrie L. Nous montrons que ce gap peut être réduit à zéro à la suite d'une compression de 1.8% de la constante de maille du cristal.Dans ce cas, les bandes de conduction et de valence montrent un croisement linéaire, les modes TO et LO en Gamma sont dégénérés, et une Anomalie de Kohn très forte apparaît sur le mode LO. Nos travaux apportent par ailleurs un support théorique pour l'interprétation des spectres Raman en fonction du diamètre des nanocristaux de séléniure de plomb (PbSe). En effet,le pic Raman de premier ordre se situe aux alentours de 136 cm-1 (et le pic de second ordre est situé au double de cette fréquence). Ils se décalent vers le haut avec la réduction du diamètre du nanocristal. Nous interprétons ce comportement inhabituel comme un confinement quantique du phonon optique longitudinal (LO). Cette hypothèse est validée par les calculs ab-initio des phonons de films de PbSe, avec une épaisseur allant jusqu'à 15 couches. Ces calculs tiennent compte des effets causés par l'environnement diélectrique. Le mode LO orienté perpendiculairement aux films est en effet décalé vers le haut en fréquences lorsque l'épaisseur des couches se réduit.Notre travail propose un point de départ à l'investigation du couplage électron-phonon dans le matériau massif et dans les nanocristaux de chalcogénures de plomb. Ceci pourra contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes d'absorption de photons et à l'utilisation de ces matériaux pour les dispositifs d'émission et d'absorption de lumière
We present ab-initio phonon dispersion relations for the three lead chalcogenides PbS, PbSe, and PbTe. The acoustic branches are in very good agreement with inelastie neutron-seattering data. Also calculations of the specific heat give good agreement with experimental data. The pronounced minimum of the transverse-optical (TO) branch at Gamma due to the near ferroelectricity of the lead chalcogenides is qualitatively reproduced. ln addition, we find a pronounced dip in the longitudinal-optieal (LO) branch at Gamma. This dip was previously explained as the effect of "free carriers" due to the presence of impurities. The calculations demonstrate that it persists also in the case of pure lead chalcogenides. We explain the dip as a "near Kohn anomaly"which is associated with the small electronic band gap at the high-symmetry point L. We show that this band-gap can be reduced to zero upon compression of the crystal lattice constant by 1.8%. In this case, the conduction and valence bands at L display a linear crossing, the TO and LO mode at Gamma are degenerate, and a very pronounced Kohn anomaly in the LO mode occurs. Furthermore, we have given theoretical and computational support for the interpretation of the diameter dependence of the Raman spectra of lead selenide nanocrystals. The first order Raman peak at about 136cm-1 and its second order overtone at twice this wave number move up in energy with decreasing nanocrystal radius. We interpret this anomalous behavior in terms of quantum confinement of the longitudinal optical (LO) phonon. This interpretation is validated by ab-initio calculations of the phonons of PbSe slabs with up to fifteen layers, taking into account the effects of dielectric embedding. The LO mode perpendicular to the slab shifts indeed upwards with decreasing layer thickness. Our work provides the starting point for the investigation of electron-phonon coupling in bulk and nanocrystalline lead chalcogenides, which should help to better understand the photon absorption mechanisms and the use of these materials in light-harvesting and light-emitting devices

Mis en évidence expérimentalement au début des années 2010, les couples de spin-orbite (SOTs) ont très rapidement suscité un très fort intérêt dans la communauté du magnétisme et de l'électronique de spin. En effet, ils permettent,dans un empilement de type métal lourd / métal ferromagnétique / oxyde (HM/FM/Ox), de manipuler l'aimantation de la couche ferromagnétique (FM) en injectant un courant dans le plan des couches. En remarquant que la bicouche FM/Ox correspond à la moitié d'un empilement typique utilisé dans les cellules mémoires de types MRAM (Magnetic Random Access Memory, mémoire magnétique à accès aléatoire), on comprend que ce mécanisme est très intéressant pour l'écriture de la couche libre de ces cellules. En effet, le courant d'écriture ne traverse plus la barrière tunnel, ce qui répond naturellement à certaines limitations des MRAM actuelles. L'interprétation physique de ces phénomènes s'est cependant révélée particulièrement complexe. Ces couples ont deux composantes, généralement appelée "Field-like", FL, et "Damping-like", DL. Si dans un premier temps, les études théoriques ont prédit que la composante DL provenait principalement d'un effet de volume dans la couche HM,et que la composante FL provenait principalement d'un effet d'interface, des études expérimentales plus récentes ont montré qu'il n'était pas si simple de séparer ces deux contributions.Dans ce travail de thèse, nous avons choisi une approche originale permettant de n'étudier qu'une seule des deux contributions. Pour ce faire, nous avons choisi de nous concentrer sur la contribution interfaciale en étudiant des échantillons de types Ox1/FM/Ox2. Nous avons ainsi pu mettre en évidence dans ces empilements la présence de SOTs ce qui n'était textit{a priori} pas si évident dans une structure ne contenant pas de métal lourd et présentant de surcroît une forte symétrie. D'autre part, nous avons pu montrer que seule la composante FL de ces couples était présente. Le comportement inattendu de ce FL-SOT en fonction de l'épaisseur de la couche FM, nous a conduit à proposer un modèle basé sur la combinaison d'un effet interfacial de type Rahsba et d'un effet de confinement quantique dû à la très faible épaisseur de matériau conducteur dans ces empilements
Experimentally demonstrated in the early 2010's, spin-orbite torques (SOTs) very quickly generated a very strong interest in the magnetism and spin electronics community. Indeed, they allow, in a heavy metal / ferromagnetic metal / oxide (HM/FM/Ox) multilayer, to manipulate the magnetization of the ferromagnetic layer (FM) by injecting an in-plane current. Noting that the FM/Ox bilayer corresponds to half of a typical stack used in MRAM memory cells (Magnetic Random Access Memory), we understand that this mechanism is very interesting for writing the free layer of these cells. Indeed, the writing current no longer crosses the tunnel barrier, which naturally responds to some of the limitations of current MRAMs. However, the physical interpretation of these phenomena has proved to be particularly complex. These torques have two components, generally called "Field-like", FL, and "Damping-like", DL. While initially, theoretical studies predicted that the DL component was mainly due to a volume effect in the HM layer, and the FL component was mainly due to an interface effect, more recent experimental studies have shown that it is not so simple to separate these two contributions.In this thesis work, we have chosen an original approach that allows us to study only one of the two contributions. To do so, we have chosen to focus on the interfacial contribution by studying Ox1/FM/Ox2 samples. We were thus able to highlight in these stacks the presence of SOTs, which was not so obvious in a structure that did not contain heavy metal and also had a strong symmetry. On the other hand, we were able to show that only the FL component of these couples was present. The unexpected behaviour of this FL-SOT as a function of the thickness of the FM layer led us to propose a model based on the combination of a Rahsba interfacial effect and a quantum confinement effect due to the very thin thickness of conductive material in these multilayers

Maxim Kontsevich a défini un invariant $Z$ des sphères d'homologie rationnelle orientées de dimension $3$ en 1992, en poursuivant l'étude initiée par Edward Witten du développement perturbatif de la théorie de Chern-Simons.L'invariant $Z$ de Kontsevich est gradué. Il s'écrit $Z=(Z_n)_{nin NN }$, où $Z_n$ prend ses valeurs dans un espace $CA_n$ engendré par des diagrammes trivalents à $2n$ sommets appelésdiagrammes de Feynman-Jacobi de degré $n$.L'invariant $Z$ apparait d'abord comme un invariant $Z(M,tau)$ des sphères d'homologie rationnelle $M$ de dimension $3$ munies d'une parallélisation $tau$.Il est l'exponentielle d'un invariant $z(M,tau)=(z_n(M,tau))_{nin NN }$dont la partie de degré $n$ compte algébriquement les plongements des diagrammes de Feynman-Jacobi connexes à $2n$ sommets assujettis à vérifier certaines conditions.On peut associer un invariant homotopique entier $p_1(tau)$ aux parallélisations $tau$ des variétés orientées de dimension $3$, et il existe un élément $beta=(beta_n)_{nin NN}$ de $CA_n$ appelé anomalie tel que$$z_n(M,tau)-p_1(tau)beta_n$$ soit indépendant de $tau$ et noté $z_n(M)$.$$Z(M)=expleft((z_n(M))_{nin NN}right).$$On sait depuis l'introduction de cette constante par Greg Kuperberg et Dylan Thurston en 1999 que $beta_n=0$ si $n$ est pair et que $beta_1 neq 0$.Cette thèse porte sur le calcul de la première valeur inconnue $beta_3$. Elle en présente des expressions très simplifiées et implémentables sur ordinateur
The Kontsevich invariant $Z$ of rational homology $3-$ sphere was constructed by Maxim Kontsevich in 1992 using configuration space integrals.This invariant is graduated. It can be written as $Z=(Z_n)_{nin NN}$, where $Z_n$ values in the space $mathcal{A}_n$ of jacobi diagram with order $n$. A Jacobi diagram with order $n$ is a trivalent graph with $2n$ vertices. At a first point, we can see $Z$ as an invariant $Z(M,tau)$ of rational homology $3-$spheres equipped with a trivialisation $tau$ so that $Z$ is the exponential of an invariant $z(M,tau)=(z_n(M,tau))_{ninNN}$. In fact, we can say that $z_n(M,tau)$ counts the number of embeddings of connected jacobi diagrams with order $n$ with some additionnal conditions. We can associate an homotopic integer invariant $p_1(tau)$ to each trivialisation $tau$ of oriented $3-$manifolds and it exists $beta=(beta_n)_{ninNN}$, where $beta_ninmathcal{A}_n$ that is called anomaly so that $$z_n(M,tau) - p_1(tay)$$ is independant of $tau$. We name it $z_n(M)$ and $$Z(M)=exp((z_n(M)_{nin NN})).$$Greg Kuperberg and Dylan Thurston introduced this constant in 1999. We already know that $beta_n=0$ if $n$ is even and $beta_1neq 0$. This thesis is about the computation of $beta_3$. It describes simplified expressions of $beta_3$, and this expressions can be compute with a computer

Le phénomène de blocage de photon est observé lorsqu'un système à deux niveaux est fortement couplé à une cavité, limitant ainsi le nombre d'occupation des photons dans le mode de la cavité à zéro ou un. Ce phénomène est analogue au blocage de Coulomb en physique mésoscopique et a été observé en optique en couplant un atome unique ou une boîte quantique à une cavité. L'efficacité du blocage, mesurée par la fonction d'autocorrélation du deuxième ordre g2(0) augmente d'autant plus que la non-linéarité du système est grande devant la largeur de la cavité. Ce travail de thèse présente l'étude théorique et expérimentale d'un nouveau phénomène de blocage appelé "phénomène de blocage anormal de photon", dans le régime micro-onde. Ce phénomène apparaît dans un système photonique comprenant deux modes couplés, où au moins un des modes est non-linéaire. Par contraste avec le blocage de photon standard, le blocage anormal permet d'obtenir un blocage parfait (g2(0)=0) pour une non-linéarité arbitrairement faible. Nous présentons les propriétés théoriques du blocage anormal, et notamment sa formulation en termes d'états gaussiens. Afin de mettre en évidence ce phénomène, nous avons réalisé deux résonateurs supraconducteurs couplés, dont l'un est rendu non-linéaire et ajustable en fréquence par l'ajout d'un SQUID. Nous montrons les techniques de fabrication employées et la caractérisation des paramètres de notre échantillon. Enfin, nous présentons les techniques mises en œuvre pour mesurer g2(t). Cette mesure nous a permis de mettre en évidence le phénomène de blocage anormal et d'en étudier les propriétés en fonction des différents paramètres expérimentaux
Photon blockade is observed when a two level system is strongly coupled to a cavity thus limiting the occupation number of the cavity mode to zero or one photon. This phenomenon is analogous to the Coulomb blockade effect in mesoscopic physics and has been observed in optics by coupling a single atom or a quantum dot to a cavity. The efficiency of the blockade, as measured by the second order auto-correlation function g2(0) increases with the non-linearity of the system in comparison to the cavity width. In this thesis, we present a theoretical and experimental study of a new blockade mechanism, called "anomalous photon blockade effect", in the microwave domain. This effect appears in photonics systems consisting of two coupled modes, where at least one of the mode is non-linear. In contrast to the standard blockade effect, perfect blockade (g2(0)=0) can be achieved with an arbitrary weak non-linearity strength. In the first part, we present a theoretical study of the anomalous blockade, and we use, in particular, a description in terms of gaussian states. To experimentally observe this effect, we have micro-fabricated two coupled superconductive resonators, where one of the resonator is frequency tunable and non-linear thanks to a SQUID. In the second part, we present the fabrication process and the characterization of our sample. Finally, we present the different techniques that we use to measure the auto-correlation function g2(τ). This measurement allowed us to demonstrate the anomalous blockade effect and to study its various properties as a function of the experimental parameters

Dans le Modèle Standard de la physique des particules, la théorie de l’interaction forte, la chromodynamique quantique (QCD), est une théorie de jauge de groupe de symétrie SU (Nc) par rapport au nombre quantique de couleur. QCD obéit à la propriété de liberté asymptotique, permettant le calcul d’observables physiques à haute énergie en utilisant la QCD perturbative (pQCD). Cette thèse traite de la description en pQCD des taux de production de hadrons dans les collisions hadroniques à haute énergie, en vue d’applications à la phénoménologie des collisions proton-noyau et noyau-noyau dans les collisionneurs de hadrons (RHIC, LHC), où des effets nucléaires (shadowing, perte d’énergie partonique, élargissement de l’impulsion transverse) entrent en jeu. Dans une première partie, j’étudie l’élargissement de l’impulsion transverse d’un système de partons énergétiques traversant un noyau, en mettant l’accent sur la structure de couleur du processus. Un cadre théorique basé sur le formalisme des dipôles est utilisé, et une équation cinétique est dérivée pour la distribution en impulsion transverse de la paire de partons, en demandant que cette paire soit dans un état de couleur donné (représentation irréductible de SU (Nc)) à la fois dans l’état initial et dans l’état final. La structure de couleur est codée dans un opérateur d’évolution de couleur, qui est obtenu pour tout type de paire de partons. Pour une paire compacte de petite taille, la dérivation donne une interprétation physique claire du processus d’élargissement de l’impulsion transverse. Dans une deuxième partie, je discute la matrice de dimension anormale Q, qui est formellement analogue à l’opérateur d’évolution précédent, et qui apparaît lors de l’ étude du rayonnement de gluons mous associé à une diffusion partonique dure 2 −> 2. Il a été remarqué que la matrice Q associée à gg −> gg a une symétrie surprenante (reliant les degrés de liberté externe et interne). J’ai développé des outils pour dériver les matrices Q associées à des diffusions 2 −> 2 impliquant des partons généralisés, afin d’explorer si la symétrie observée pour gg −> gg est fortuite ou non
In the Standard Model of particle physics,the theory of the strong interaction, Quantum Chromodynamics (QCD), is a gauge theory of symmetry group SU (Nc) with respect to the color quantum number. QCD obeys the property of asymptotic freedom, allowing the computation of high-energy physical observables using perturbative QCD (pQCD). This thesis deals with the pQCD description of hadron production rates in high-energy hadronic collisions, in view of applications to the phenomenology of proton-nucleus and nucleus-nucleus collisions at hadron colliders (RHIC,LHC), where so-called nuclear effects (shadowing, parton energy loss, transverse momentum broadening) come into play. In a first part, I study the transverse broadening of an energetic parton system crossing a nucleus, putting emphasis on the color structure of the process. A theoretical setup based on the dipole formalism is used,and a kinetic equation is derived for the parton pair transverse momentum distribution, requiring the parton pair to be in a given color state (SU (Nc) irreducible representation) both in the initial and final state. The color structure is encoded in a color evolution operator, which is obtained for any type of parton pair. For a small-size compact pair, the derivation yields a transparent physical interpretation of the pair transverse broadening process. In a second part, I discuss the soft anomalous dimension matrix Q, which is formally analogous to the previous evolution operator, and which appears when studying soft gluon radiation associated to 2 −> 2 hard parton scattering. It has been noticed that the Q-matrix associated to gg −> gg has a surprising symmetry (relating external and internal degrees of freedom). I developed tools to derive the Q-matrices associated to2 −> 2 scatterings involving generalized partons, in order to explore if the symmetry observed for gg −> gg is fortuitous or not

La spintronique se concentre sur l'exploitation à la fois de la liberté de spin et de charge des électrons. La jonction tunnel magnétique est la pierre angulaire car elle est un candidat prometteur pour les mémoires non volatiles de prochaine génération. Par conséquent, l'un des sujets centraux de recherche en spintronique est d'améliorer les performances de lecture et d'écriture électrique des jonctions tunnel magnétiques. (1) La génération de courants de spin dans les ferromagnétiques a été étudiée. Et la commutation de la magnétisation perpendiculaire induite par deux courants de spin issus de l'effet Hall de spin et de l'effet Hall anormal dans un ferromagnétique a été réalisée. Des expériences sont menées pour obtenir une multicouche magnétique de type T bien conçue. L'existence de ces deux courants de spin est validée par les mesures de commutation de la magnétisation perpendiculaire induite par le courant. (2) Un champ magnétique perpendiculaire efficace est obtenu dans une multicouche magnétique de type T, ce qui conduit à une commutation efficace de la magnétisation perpendiculaire induite par le couple spin-orbite. Avec le couplage intercouche entre la magnétisation dans le plan et la magnétisation perpendiculaire, la magnétisation perpendiculaire subit un champ perpendiculaire efficace supplémentaire, qui facilite (entrave) la commutation de la magnétisation perpendiculaire et réduit (augmente) la densité de courant critique lorsque deux couches subissent des courants de spin de même (opposée) polarité. Ensuite, des expériences sont menées pour obtenir une multicouche magnétique de type T bien conçue. Et le champ magnétique perpendiculaire efficace est confirmé par des expériences de commutation de la magnétisation perpendiculaire induite par le champ perpendiculaire. (3) Réalisation de la magnétorésistance tunnel contrôlable en tension dans les jonctions tunnel magnétiques Fe4N. Des jonctions tunnel magnétiques Fe/MgAlOx/Fe/MgAlOx/Fe4N de haute qualité sont fabriquées sur un substrat de MgO(001) monocristallin via l'épitaxie par jets moléculaires. Et une magnétorésistance tunnel dépendante de la polarisation est obtenue expérimentalement. Par le biais d'un calcul ab initio, il est démontré que cet effet est causé par le changement des canaux de tunnellisation, lié à la structure de bande de Fe4N près du niveau de Fermi. (4) Investigation de l'influence du désordre interfacial sur l'amplitude d'oscillation résonante dans les jonctions tunnel magnétiques à puits quantiques à double barrière. Les états de puits quantiques formés dans les jonctions tunnel magnétiques à double barrière permettent une tunnellisation cohérente résonante des électrons, ce qui pourrait être utilisé pour atteindre un rapport de magnétorésistance tunnel plus élevé. Nous avons fabriqué épitaxialement une série de jonctions tunnel magnétiques Fe/MgAlOx/Fe/MgAlOx/Fe, et avons étudié de manière systématique la dépendance de l'amplitude d'oscillation des désordres introduits par l'insertion de Co aux interfaces supérieures et médianes Fe/MgAlOx. Il devient évident que l'amplitude d'oscillation reste stable lorsque le Co est inséré hors du puits quantique, tandis qu'elle peut être grandement réduite par le désordre chimique introduit par l'insertion de Co dans le puits quantique. Et même éliminée par le désordre structural introduit par l'insertion de Fe dans le puits quantique
Spintronics focuses on exploiting both the spin and charge freedom of electrons. Magnetic tunnel junction is the cornerstone since it is a promising candidate as next-generation non-volatile memories. Therefore, one central research subject of spintronics is to enhance the electrical reading and writing performance of magnetic tunnel junctions. (1) Generation of spin currents in ferromagnets has been studied. And switching of perpendicular magnetization driven by two spin currents originated from the spin Hall effect and the anomalous Hall effect in a ferromagnet has been realized. Experiments are carried out to obtain a well-designed Type-T magnetic multilayer. The existence of these two spin currents is validated by the current-induced perpendicular magnetization switching measurements. (2) An effective perpendicular magnetic field is obtained in a Type-T magnetic multilayer, which leads to an efficient spin-orbit torque induced perpendicular magnetization switching. With the interlayer coupling between the in-plane magnetization and the perpendicular magnetization, the perpendicular magnetization experiences an additional effective perpendicular field, which facilitates (hampers) the switching of perpendicular magnetization and reduces (increases) the critical current density when two layers experience spin currents with same (opposite) polarity. Next, experiments are carried out to obtain a well-designed Type-T magnetic multilayer. And the effective perpendicular magnetic field is confirmed through perpendicular field-driven perpendicular magnetization switching experiments. (3) Realization of voltage-controllable tunnel magnetoresistance in Fe4N magnetic tunnel junctions. High-quality Fe/MgAlOx/Fe/MgAlOx/Fe4N magnetic tunnel junctions are grown on a single crystal MgO(001) substrate via molecular beam epitaxy. And a bias-dependent tunnel magnetoresistance is experimentally obtained. Through an ab initio calculation, it is demonstrated that this effect is caused by the change of tunneling channels, which related to the band structure of Fe4N near the Fermi level. (4) Investigation on the influence of interfacial disorder on the amplitude of resonant oscillation in double-barrier quantum well magnetic tunnel junctions. Quantum well states formed in double-barrier magnetic tunnel junctions enables coherent resonate tunneling of electrons, which could be utilized for achieving higher tunneling magnetoresistance ratio. We epitaxially fabricated a series of Fe/MgAlOx/Fe/MgAlOx/Fe DMTJs, and systematically investigated the oscillation amplitude dependence of the disorders introduced by inserted Co at the top and middle Fe/MgAlOx interfaces. It becomes clear that the oscillation amplitude remains stable when inserting Co out of the QW, while it can be greatly reduced by the chemical disorder introduced by Co insertion within the QW. And even be eliminated by the structural disorder introduced by Fe insertion within the QW

Les moments magnétiques anomaux des leptons ont joué un rôle important dans le développement du modèle standard de la physique des particules. Aujourd’hui, celui du muon est mesuré très précisément et le sera avec une precision encore plus grande par une expérience qui débutera en 2017. Dans la mesure où la prédiction théorique pourra être faite avec des incertitudes comparables, un test rigoureux du modèle standard sera possible. Nous étudions ici le facteur limitant de cette prédiction, la contribution de la polarisation hadronique du vide à l’ordre dominant (HVP-LO). Nous calculons cette contribution numériquement à l’aide d’une version discrétisée de la théorie de l’interaction forte, la chromodynamique quantique sur réseau. Le calcul haute-performance permet de résoudre la théorie dans son régime hautement non-linéaire qui est le plus pertinent ici. Les algorithmes de simulation et les méthodes utilisées pour obtenir la polarisation hadronique, ainsi que les incertitudes associées, sont décrits. Ces méthodes sont ensuite appliquées à des simulations réalisées avec la collaboration Budapest-Marseille-Wuppertal. Dans un premier temps, elles sont implémentées dans une étude dédiée des effets de volume fini. Les méthodes les plus robustes sont ensuite utilisées pour calculer la polarisation hadronique avec des simulations qui comprennent N_f=2+1+1 saveurs de quarks. Celles-ci sont réalisées directement à la valeur physique des masses de quarks u, d, s et c, avec six tailles de maille et dans de gros volumes de 6 fm^3. Elles nous permettent de calculer la contribution HVP-LO au moment magnétique anomal du muon avec des erreurs contrôlées d’environ 3%
The anomalous magnetic moments of leptons have played an important role in the development of the Standard Model of particle physics. Today, that of the muon is measured very precisely and will be so with even higher precision in an experiment that will begin in 2017. To the extent that the theoretical prediction can be made with comparable uncertainties, a rigorous test of the Standard Model will be possible. Here we study the limiting factor in this prediction, the leading-order hadronic vacuum polarization contribution (HVP-LO). We compute this contribution numerically with a discretized version of the theory of the strong interaction: lattice Quantum Chromodynamics. High-performance computing allows to solve the theory in its highly nonlinear regime, which is the one most relevant here. The simulation algorithms and the methods used to obtain the HVP, as well as the associated statistical and systematic uncertainties, are described. These methods are then applied to simulations performed with the Budapest-Marseille-Wuppertal collaboration. First they are implemented in a dedicated study of finite-volume effects. The most robust methods are then used to compute the HVP with simulations which include N_f=2+1+1 flavors of quarks. These are performed directly at the physical values of the u, d, s and c quark masses, with six lattice spacings and in large volumes of 6 fm^3. They allow us to compute the HVP-LO contribution to the anomalous magnetic moment of the muon with controlled errors of around 3%

Cette thèse est consacrée à la description de la physique à une particule ainsi qu'à celle de fluides quantiques bosoniques dans des systèmes topologiques. Les deux premiers chapitres sont introductifs. Dans le premier, nous introduisons des éléments de théorie des bandes et les quantités géométriques et topologiques associées : tenseur métrique quantique, courbure de Berry, nombre de Chern. Nous discutons différents modèles et réalisations expérimentales donnant lieu à des effets topologiques. Dans le second chapitre, nous introduisons les condensats de Bose-Einstein ainsi que les excitons-polaritons de cavité.La première partie des résultats originaux discute des phénomènes topologiques à une particule dans des réseaux en nid d'abeilles. Cela permet de comparer deux modèles théoriques qui mènent à l'effet Hall quantique anormal pour les électrons et les photons dû à la présence d'un couplage spin-orbite et d'un champ Zeeman. Nous étudions aussi l'effet Hall quantique de vallée photonique à l'interface entre deux réseaux de cavités avec potentiels alternés opposés.Dans une seconde partie, nous discutons de nouveaux effets qui émergent due à la présence d'un fluide quantique interagissant décrit par l’équation de Gross-Pitaevskii dans ces systèmes. Premièrement, il est montré que les interactions spin anisotropes donnent lieu à des transitions topologiques gouvernées par la densité de particules pour les excitations élémentaires d’un condensat spineur d’exciton-polaritons.Ensuite, nous montrons que les tourbillons quantifiés d'un condensat scalaire dans un système avec effet Hall quantique de vallée, manifestent une propagation chirale le long de l'interface contrairement aux paquets d'ondes linéaires. La direction de propagation de ces derniers est donnée par leur sens de rotation donnant lieu à un transport de pseudospin de vallée protégé topologiquement, analogue à l’effet Hall quantique de spin.Enfin, revenant aux effets géométriques linéaires, nous nous sommes concentrés sur l’effet Hall anormal. Dans ce contexte, nous présentons une correction non-adiabatique aux équations semi-classiques décrivant le mouvement d’un paquet d’ondes qui s’exprime en termes du tenseur géométrique quantique. Nous proposons un protocole expérimental pour mesurer cette quantité dans des systèmes photonique radiatifs
This thesis is dedicated to the description of both single-particle and bosonic quantum fluid Physics in topological systems. After introductory chapters on these subjects, I first discuss single-particle topological phenomena in honeycomb lattices. This allows to compare two theoretical models leading to quantum anomalous Hall effect for electrons and photons and to discuss the photonic quantum valley Hall effect at the interface between opposite staggered cavity lattices.In a second part, I present some phenomena which emerge due to the interplay of the linear topological effects with the presence of interacting bosonic quantum fluid described by mean-field Gross-Pitaevskii equation. First, I show that the spin-anisotropic interactions lead to density-driven topological transitions for elementary excitations of a condensate loaded in the polariton quantum anomalous Hall model (thermal equilibrium and out-of-equilibrium quasi-resonant excitation configurations). Then, I show that the vortex excitations of a scalar condensate in a quantum valley Hall system, contrary to linear wavepackets, can exhibit a robust chiral propagation along the interface, with direction given by their winding in real space, leading to an analog of quantum spin Hall effect for these non-linear excitations. Finally, coming back to linear geometrical effects, I will focus on the anomalous Hall effect exhibited by an accelerated wavepacket in a two-band system. In this context, I present a non-adiabatic correction to the known semiclassical equations of motion which can be expressed in terms of the quantum geometric tensor elements. We also propose a protocol to directly measure the tensor components in radiative photonic systems