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La supraconductivité s'établit par une organisation collective des électrons, décrite dans le cadre de la théorie BCS par une même fonction d'onde macroscopique. En présence de fort désordre, la situation est plus complexe : le désordre induit un renforcement des interactions coulombiennes et une localisation des électrons, s'opposant à l'établissement de la supraconductivité. Pour un désordre critique, la supraconductivité est détruite et le système devient métallique ou isolant. A 2D, en l'absence de fortes interactions coulombiennes, la théorie de la localisation d'Anderson interdit l'existence d'un état métallique : le désordre induit une Transition Supraconducteur-Isolant (TSI). Durant cette thèse, nous avons étudié les propriétés de transport à très basse température de films minces amorphes de NbxSi1-x. Nous avons effectué des mesures de résistance à basse fréquence à travers la TSI et initié des mesures d'impédance complexe à hautes fréquences (quelques GHz), afin de sonder la dynamique du système à travers la TSI. L'étude du transport statique s'est focalisée sur l'évolution du NbxSi1-x avec le recuit. Ce paramètre induit une variation progressive du désordre microscopique de notre système, ce qui nous a permis d'étudier finement la TSI. Nous avons ainsi mis en évidence deux états dissipatifs, séparant les états supraconducteurs et isolants, et non-prédits par les théories actuelles. Par ailleurs, nous avons mis au point un dispositif de mesure de réflectométrie micro-onde large bande. Nous avons en particulier développé une méthode de calibration, utilisant non pas la mesure de références externes comme il est usuel, mais un ensemble d'hypothèses sur la réponse électrodynamique des échantillons. Cette méthode permet de s'affranchir de l'environnement micro-onde de ceux-ci. Les résultats obtenus permettent une première validation de cette démarche et constituent donc un premier pas vers la détermination de la réponse dynamique absolue du système à travers la TSI.

Dans cette thèse, nous utilisons le Kicked Rotor, paradigme du chaos quantique, pour d’étudier certains aspects nouveaux de de la physique des systèmes désordonnés. Nous apportons ainsi la première observation expérimentale, avec des ondes de matières atomiques, d’un phénomène lié à la localisation faible qui est l’augmentation de la probabilité de retour à l’origine. Nous montrons également que ce phénomène peut être utilisé comme outil précis de diagnostique de la décohérence dans le système. Nous présentons une nouvelle méthode expérimentale, pour contrôler les propriétés de symétries du Kicked Rotor. Cela nous permet de créer un système désordonné dans lesquel il existe un flux Aharonov-Bohm artificiel non trivial dans une dimension synthétique. Cela nous offre l’opportunité de briser la symétrie par renversement du temps et d’étudier la physique de la localisation d’Anderson dans deux classes d’universalités différentes : la classe orthogonale et la classe unitaire. Nous avons investigué l’effet de cette brisure de symétrie sur les propriétés des systèmes désordonnés 1D en regardant deux signatures du transport quantique.Nous observons ainsi pour la première fois expérimentalement, l’effet de Coherent Forward Scattering, récemment prédit, qui constitue un nouveau marqueur interférientiel de la localisation d’Anderson. Nous mettons en évidence ses signatures caractéristiques et nous trouvons qu’elles sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. Enfin, nous réalisons les premières mesures expérimentales des fonctions d’échelles (G), dans les deux classes de symétries et nous démontrons leur universalité
In this thesis, we use the Kicked Rotor, paradigm of quantum chaos, to study new physical aspects of disordered systems.We thus present the first experimental observation with atomic matter wave of a phenomenon directly linked to weak localization which is the Enhanced Return to the Origin. We show that this effect can be used as a tool to measure accuratly the decoherence in the system. We present a novel, outstandingly simple, experimental method to control symmetry properties of the Kicked Rotor. This allows us to study a disordered system in presence of a non-trivial artificial Aharonov-Bohm flux in a synthetic dimension. This gives us the opportunity to break the time reversal symmetry and then to study the physics of Anderson localization in two different symmetry classes : the orthogonal class and the unitary class. We have investigated the effect of this symmetry breaking on physical properties of 1D disordered systems by looking two signatures of quantum transport. We observe thus experimentally, for the first time, the Coherent Forward Scattering effect, predicted recently and which represents a novel genuine signature of Anderson localization. We show its distinctive signatures and a good agreement with theoretical predictions. Finally, we realise the first experimental measurements of the (G) scaling function, characteristic of transport in disordered medium, in two symmetry classes and we demonstrate their universality

Dans cette thèse, nous utilisons le Kicked Rotor, paradigme du chaos quantique, pour d’étudier certains aspects nouveaux de de la physique des systèmes désordonnés. Nous apportons ainsi la première observation expérimentale, avec des ondes de matières atomiques, d’un phénomène lié à la localisation faible qui est l’augmentation de la probabilité de retour à l’origine. Nous montrons également que ce phénomène peut être utilisé comme outil précis de diagnostique de la décohérence dans le système. Nous présentons une nouvelle méthode expérimentale, pour contrôler les propriétés de symétries du Kicked Rotor. Cela nous permet de créer un système désordonné dans lesquel il existe un flux Aharonov-Bohm artificiel non trivial dans une dimension synthétique. Cela nous offre l’opportunité de briser la symétrie par renversement du temps et d’étudier la physique de la localisation d’Anderson dans deux classes d’universalités différentes : la classe orthogonale et la classe unitaire. Nous avons investigué l’effet de cette brisure de symétrie sur les propriétés des systèmes désordonnés 1D en regardant deux signatures du transport quantique.Nous observons ainsi pour la première fois expérimentalement, l’effet de Coherent Forward Scattering, récemment prédit, qui constitue un nouveau marqueur interférientiel de la localisation d’Anderson. Nous mettons en évidence ses signatures caractéristiques et nous trouvons qu’elles sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. Enfin, nous réalisons les premières mesures expérimentales des fonctions d’échelles (G), dans les deux classes de symétries et nous démontrons leur universalité
In this thesis, we use the Kicked Rotor, paradigm of quantum chaos, to study new physical aspects of disordered systems.We thus present the first experimental observation with atomic matter wave of a phenomenon directly linked to weak localization which is the Enhanced Return to the Origin. We show that this effect can be used as a tool to measure accuratly the decoherence in the system. We present a novel, outstandingly simple, experimental method to control symmetry properties of the Kicked Rotor. This allows us to study a disordered system in presence of a non-trivial artificial Aharonov-Bohm flux in a synthetic dimension. This gives us the opportunity to break the time reversal symmetry and then to study the physics of Anderson localization in two different symmetry classes : the orthogonal class and the unitary class. We have investigated the effect of this symmetry breaking on physical properties of 1D disordered systems by looking two signatures of quantum transport. We observe thus experimentally, for the first time, the Coherent Forward Scattering effect, predicted recently and which represents a novel genuine signature of Anderson localization. We show its distinctive signatures and a good agreement with theoretical predictions. Finally, we realise the first experimental measurements of the (G) scaling function, characteristic of transport in disordered medium, in two symmetry classes and we demonstrate their universality

Dans une première partie nous explorerons les effets d'impuretés désordonnées et paramagnétiques sur l'effet spin-Hall intrinsèque dans un gaz d'électrons bi-dimensionnel avec un couplage spin-orbite de Rashba. A faible désordre, la conductivité de spin-Hall reste proche de sa valeur d'échantillon pur, comme le montrent un calcul analytique de réponse linéaire et une étude numérique. De fortes fluctuations sont toutefois observées, elles augmentent avec l'importance du désordre. Pour caractériser la dynamique d'un paquet d'onde sur un réseau, nous mesurons sa taille, le taux de participation inverse, et sa dimension de corrélation. Le système subit une transition de localisation à une valeur critique du désordre. Dans le régime localisé, la densité locale d'états n'est plus uniforme et ne coïncide plus avec la densité totale d'états. Une corrélation antiferromagnétique entre les impuretés et les électrons de conduction est observée. Après la transition de localisation, la conductivité de spin augmente significativement. La première correction quantique dans le formalisme de réponse linéaire, contribue positivement à la conductivité de spin-Hall. Dans une seconde partie, le modèle de Hubbard avec double échange avec corrélations électroniques est étudié par la méthode du champ moyen dynamique (DMFT) dans l'approximation de non-croisement pour la résolution du problème d'impureté (NCA). Autour du quart remplissage, un polaron orbital est observé et décrit à l'aide d'un Hamiltonien effectif. Le double échange dans les semi-conducteurs magnétiques dilués est étudié dans l'approximation du potentiel cohérent (CPA)
Spintronics is a research area that is concerned with the storage and transfer of information by means of electron spins. In the first part we investigated the intrinsic spin Hall effect in the presence of disordered magnetic impurities in a paramagnetic state in a two dimensional electron gas with Rashba spin-orbit coupling. In the presence of weak magnetic disorder the spin Hall conductivity stays close to its universal (clean system) value, as shown by analytical linear response calculations and numerical simulations. Heavy spin conductivity fluctuations are observed, that increase with disorder strength. To investigate the spreading of a wavepacket on a lattice we measure the wavepacket width, the inverse participation ratio and the (2)-fractal dimension. It is shown the system undergoes a localization transition at a critical disorder strength. In the localized regime the local density of states is not uniform anymore. An anti-ferromagnetic correlation between electron spins and impurity magnetic moments is observed. Beyond the localization transition the spin conductivity increases significantly. The first quantum (Cooperon) corrections in the linear response formalism are shown to contribute positively to the spin Hall conductivity. In the second part the double exchange Hubbard model for correlated electron systems is studied using dynamical mean field theory (DMFT) with the non-crossing approximation (NCA). Around quarter filling an orbital polaron is observed, numerically and in an effective Hamiltonian. Double exchange in dilute magnetic semiconductors is studied using the coherent potential approximation (CPA)

Dans une première partie nous explorerons les effets d'impuretés désordonnées et paramagnétiques sur l'effet spin-Hall intrinsèque dans un gaz d'électrons bi-dimensionnel avec un couplage spin-orbite de Rashba. A faible désordre, la conductivité de spin-Hall reste proche de sa valeur d'échantillon pur, comme le montrent un calcul analytique de réponse linéaire et une étude numérique. De fortes fluctuations sont toutefois observées, elles augmentent avec l'importance du désordre. Pour caractériser la dynamique d'un paquet d'onde sur un réseau, nous mesurons sa taille, le taux de participation inverse, et sa dimension de corrélation. Le système subit une transition de localisation à une valeur critique du désordre. Dans le régime localisé, la densité locale d'états n'est plus uniforme et ne coïncide plus avec la densité totale d'états. Une corrélation antiferromagnétique entre les impuretés et les électrons de conduction est observée. Après la transition de localisation, la conductivité de spin augmente significativement. La première correction quantique dans le formalisme de réponse linéaire, contribue positivement à la conductivité de spin-Hall. Dans une seconde partie, le modèle de Hubbard avec double échange avec corrélations électroniques est étudié par la méthode du champ moyen dynamique (DMFT) dans l'approximation de non-croisement pour la résolution du problème d'impureté (NCA). Autour du quart remplissage, un polaron orbital est observé et décrit à l'aide d'un Hamiltonien effectif. Le double échange dans les semi-conducteurs magnétiques dilués est étudié dans l'approximation du potentiel cohérent (CPA)
Spintronics is a research area that is concerned with the storage and transfer of information by means of electron spins. In the first part we investigated the intrinsic spin Hall effect in the presence of disordered magnetic impurities in a paramagnetic state in a two dimensional electron gas with Rashba spin-orbit coupling. In the presence of weak magnetic disorder the spin Hall conductivity stays close to its universal (clean system) value, as shown by analytical linear response calculations and numerical simulations. Heavy spin conductivity fluctuations are observed, that increase with disorder strength. To investigate the spreading of a wavepacket on a lattice we measure the wavepacket width, the inverse participation ratio and the (2)-fractal dimension. It is shown the system undergoes a localization transition at a critical disorder strength. In the localized regime the local density of states is not uniform anymore. An anti-ferromagnetic correlation between electron spins and impurity magnetic moments is observed. Beyond the localization transition the spin conductivity increases significantly. The first quantum (Cooperon) corrections in the linear response formalism are shown to contribute positively to the spin Hall conductivity. In the second part the double exchange Hubbard model for correlated electron systems is studied using dynamical mean field theory (DMFT) with the non-crossing approximation (NCA). Around quarter filling an orbital polaron is observed, numerically and in an effective Hamiltonian. Double exchange in dilute magnetic semiconductors is studied using the coherent potential approximation (CPA)

Ce travail est consacré à l'étude de certaines propriétés spectrales des opérateurs de Schrödinger aléatoires. Il est divisé en deux parties : 1. Une étude de la localisation d'Anderson pour des systèmes multi-particules sur un graphe quantique. 2. Une formulation abstraite de quelques estimées de Wegner, suivie par une liste d'applications pour des modèles concrets. Au Chapitre 1 on essaie d'introduire les problèmes et les résultats de la thèse de façon élémentaire. La première partie occupe les chapitres 2 et 3. Le Chapitre 2 consisgte essentiellement en notre article "Anderson Localization for a multi-particle quantum graph" [97] sur le sujet. Au chapitre 3 on discute quelques propriétés supplémentaires du modèle, et on donne surtout des démonstrations alternatives de certains résultats du Chapitre 2. La deuxième partie occupe les chapitres 4 et 5. Le Chapitre 4 reproduit essentiellement notre article "Some abstract Wegner estimates with applications" [98]. Au Chapitre 5 on poursuit l'étude des estimées de Wegner, en donnant notamment quelques théorèmes abstraits supplémentaires dans la Section 5. 2 et encore d'autres applications dans la Section 5. 3. On conclut avec deux annexes A et B. Dans la première on expose de manière très détaillée les développements en fonctions propres généralisées. Dans l'Annexe B, on démontre quelques résultats classiques utilisés dans le texte
This work is devoted to the study of some spectral properties of random Schrödinger operators. It is divided into two parts : 1. A study of localization for multi-particle systems on quantum graphs. 2. An abstract formulation of some Wegner estimates, followed by a list of applications for concrete models. In Chapter 1 we try to introduce the problems and the results of this thesis in an elementary way. The first part occupies chapters 2 and 3. Chapter 2 essentially reproduces our article "Anderson Localization for a multi-particle quantum graph" [97] on this subject. In Chapter 3 we discuss some additional properties of our model, and we give alternative proofs to some results of Chapter 2. The second part occupies chapters 4 and 5. Chapter 4 essentially reproduces our article "Some abstract Wegner estimates with applications" [98]. In Chapter 5 we continue the study of Wegner estimates by giving more abstract theorems in Section 5. 2 and yet more applications in Section 5. 3. We conclude with two appendices A and B. In the first one we explain the theory of generalized eigenfunction expansions in great detail. In Appendix B, we prove some classical resutls usedin the text

Nous avons étudié numériquement plusieurs modèles de spins quantiques désordonnés en dimensions D>1 par le groupe de renormalisation en désordre fort (SDRG). Pour cela, nous avons implémenté un algorithme permettant de considérer des systèmes contenant de l'ordre d'un million de spins indépendamment de la dimension du réseau. Nous avons montré que les propriétés critiques du modèle de Potts quantique désordonné à q=2,3,5,10,20 et 50 états en dimensions D=2 et D=3 sont gouvernées par un point fixe de désordre infini. Nous avons estimé les exposants critiques de la longueur de corrélation u, de l'aimantation d_f et du gap d'énergie psi. En exploitant les effets de taille finie et en prenant en compte les corrections, nous avons conclut que les propriétés critiques du modèle de Potts sont indépendantes du nombre d'états q. Nous avons également étudié le modèle d'horloge quantique désordonné à q=2,3,5,8 et 10 états en dimensions D=2 et D=3. L'importance du désordre initial a été mis en évidence pour pouvoir atteindre un point critique de désordre infini. Bien que les incertitudes sur psi soient grandes, nos estimations des exposants u et psi sont compatibles pour tout q avec ceux du modèle d'Ising quantique désordonné. Les estimations de l'exposant d_f sont incompatibles dans les barres d'erreur mais néanmoins très proches. Enfin, nous avons étudié le point tricritique du modèle d'Ashkin-Teller quantique désordonné en dimensions D=2 et D=3. Nous avons montré que l'exposant de la longueur de corrélation dans une des directions instables n'appartient pas à la classe d'universalité du modèle d'Ising quantique désordonné
Several random quantum spin models have been numerically studied in dimension D>1 by Strong Disorder Renormalisation Group (SDRG). We have implemented an efficient algorithm to be able to consider a system with up to a billion spins independently of its spatial dimension. Critical properties of the 2D and 3D random quantum Potts model with q=2,3,5,10,20 and 50 states are shown to be governed by an infinite disorder fixed point. We have computed the correlation-length exponent u, the magnetization exponent d_f and the energy gap exponent psi. Using finite-size scaling and taking into account finite-size corrections, critical properties of the Potts model are shown to be q-independent. Random quantum Clock models with q=2,3,5,8 and 10 states have been also studied in 2D and 3D. A minimum amount of initial disorder strength is required to flow to an infinite disorder fixed point. Despite large error bars on psi exponent, our estimates for the critical exponents u and psi for all q are compatible with those of the random transverse-field Ising model. Our estimates for the critical exponent d_f are incompatible within error bar but very close. Lastly, the tricritical point of the random quantum Ashkin-Teller model has been studied in dimension two and three. We have shown that the correlation-length exponent associated with one of the two unstable directions does not belong to the university class of the random transverse-field Ising model

La première partie de cette thèse traite des chaînes de spins quantiques. On étudie tout d'abord des systèmes de spins quantiques qui sont reliés de façon continue à la chaîne de Heisenberg s=1. La construction d'un modèle sigma non-linéaire permet d'estimer le gap de ces systèmes. On étudie ensuite une chaîne de spins s=1/2 dopée par des impuretés non-magnétiques possédant un spin nucléaire. A l'aide de techniques de bosonisation, on calcule analytiquement le temps de relaxation longitudinal d'une impureté en fonction de la température, corrections logarithmiques incluses. Ce type d'analyse est également mené sur un liquide de Luttinger chiral, modélisant par exemple un demi-fil quantique. La deuxième partie est consacrée aux systèmes désordonnées en basse dimension. Des liens formels sont éclaircis entre modèle désordonné sur réseau, fermions de Dirac en milieu aléatoire, chaînes de spins supersymétriques non-compactes et modèle sigma non-linéaire. Le détail des calculs est donné sur l'exemple de la transition entre plateaux de l'effet Hall quantique entier. On calcule ensuite exactement les densités d'états et les longueurs de localisation typiques d'un fermion de Dirac en dimension 1 dans des potentiels aléatoires de différentes natures. De nombreux modèles de théorie de la matière condensée, comme par exemple la chaîne XX désordonnée, se ramènent à ce système. Puis nous étudions les fermions de Dirac en dimension 2 en milieu aléatoire. Plus particulièrement, nous analysons le cas de fermions en masse aléatoire. Ce modèle décrit les excitations de basse énergie d'un supraconducteur d'onde $d$ dont les impuretés sont magnétiques. Un diagramme de phase est proposé. Il s'articule autour du point tricritique des fermions de Dirac libres et fait apparaître une phase métallique thermique inattendue.

Ce travail est consacré à l'étude de certaines propriétés spectrales des opérateurs de Schrödinger aléatoires. Il est divisé en deux parties : 1. Une étude de la localisation d'Anderson pour des systèmes multi-particules sur un graphe quantique. 2. Une formulation abstraite de quelques estimées de Wegner, suivie par une liste d'applications pour des modèles concrets. Au Chapitre 1 on essaie d'introduire les problèmes et les résultats de la thèse de façon élémentaire. La première partie occupe les chapitres 2 et 3. Le Chapitre 2 consiste essentiellement en notre article "Anderson Localization for a multi-particle quantum graph" [97] sur le sujet. Au Chapitre 3 on discute quelques propriétés supplémentaires du modèle, et on donne surtout des démonstrations alternatives de certains résultats du Chapitre 2. La deuxième partie occupe les chapitres 4 et 5. Le Chapitre 4 reproduit essentiellement notre article "Some abstract Wegner estimates with applications" [98]. Au Chapitre 5 on poursuit l'étude des estimées de Wegner, en donnant notamment quelques théorèmes abstraits supplémentaires dans la Section 5.2 et encore d'autres applications dans la Section 5.3. On conclut avec deux annexes A et B. Dans la première on expose de manière très détaillée les développements en fonctions propres généralisées. Dans l'Annexe B, on démontre quelques résultats classiques utilisés dans le texte.

Ces dernières années, nous avons vu l'émergence d'un grand nombre de publications de machine learning (ML) dans les domaines de la physique de la matière condensée et de la physique statistique. En particulier, les outils de ML apparaissent comme des méthodes valides pour l'identification de phase. Dans cette thèse, nous étudions le ML sous le spectre de deux modèles. Le premier est le modèle de percolation de site en deux dimensions. Dans ce modèle paradigmatique, les sites sont occupés avec une probabilité p; une transition de phase du second ordre d'une phase non-percolante à une phase percolante apparait à une probabilité d'occupation p_c, appelé seuil de percolation. A l'aide de méthodes d'apprentissage supervisé telles que la classification et la régression, nous explorons les capacités des réseau de neurones convolutifs (CNNs) à prédire la densité d'occupation «p», la longueur de corrélation «xi», ainsi que la présence d'amas percolant. Nous constatons que les CNNs, qui ne sont à la base pas pensés pour la physique arrivent à prédire «p».Cependant pour «xi» ou la présence d'amas percolant, ces mêmes techniques ne parviennent pas à donner de résultats satisfaisants. Le second modèle est le modèle de localisation d'Anderson en trois dimensions. Ce modèle se caractérise par une localisation de la fonction d'onde au-delà d'un désordre critique «W_c». Nous commençons par reproduire des résultats obtenus précédemment en classification de phase, et réalisons par la suite des études dans le but d'identifier plusieurs valeurs de désordres dans les deux phases. Au cours de nos recherches, nous étudions l'influences de la taille du système ou la nature de l’entrée sur la performance du réseau. Au travers de l'étude de ces deux modèles, nous montrons les points forts et les limitations auxquels il est possible d'être confrontés en utilisant le ML pour la reconnaissance de phase
Our first model is the two-dimensional site percolation. In this paradigmatic model, sites are randomly occupied with probability «p»; a second-order phase transition from a non-percolating to a fully percolating phase appears at occupation density «p_c», called percolation threshold. Through supervised deep learning approaches like classification and regression, we explore the ability of convolutional neural networks (CNNs) to predict the density of occupation «p» of percolation states, the correlation length «xi», as well as the presence of a spanning cluster. We find that image recognition tools such as CNN, which are not naturally tailored for physics, successfully identify «p». However, when dealing with parameters like «xi» or the presence of a spanning cluster, these same techniques fail to provide quantitative results. The second model is the three-dimensional Anderson model of localisation. This model is characterised by a localisation of the wavefunctions above a critical disorder «W_c». We begin by reproducing previous work done on phase classification, and perform several new studies with classification and regression methods, to identify individual disorders in both phases. Throughout our investigation, multiple parameters such as the size of the system or the nature of the input are studied to observe their influence on the performance of the model. Via the study of these two models and the use of several ML methods, we will display the successes and limitations that one might be confronted with when using ML for phase recognition