Dynamique et transport au voisinage d'une transition de phase quantique en dimension deux

par Félix Rose

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Nicolas Dupuis.

Soutenue le 19-09-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Physique Théorique de la Matière Condensée (laboratoire) .

Le président du jury était Silke Biermann.

Le jury était composé de Jean-Paul Blaizot, Serge Florens, Christophe Mora.

Les rapporteurs étaient Nicolas Wshebor, Sylvain Capponi.


  • Résumé

    Nous étudions le modèle O (N) relativiste, une généralisation quantique de la théorie φ⁴ utilisée en physique statistique pour étudier des transitions de phase. Ce modèle décrit certaines transitions de phase quantiques telles que la transition isolant de Mott-superfluide dans un gaz de bosons piégés dans un réseau optique ou la transition paramagnétique-antiferromagnétique dans un aimant. En deux dimensions d’espace, ces systèmes sont fortement corrélés près de la transition. Nous les étudions à l’aide du groupe de renormalisation non perturbatif, une formulation du groupe de renormalisation de Wilson. Nous nous intéressons aux propriétés universelles au voisinage de la transition de phase quantique à température nulle. Ainsi, nous déterminons les fonctions d’échelle universelles qui définissent la thermodynamique et démontrons que ces fonctions sont reliées à celles décrivant la force de Casimir critique dans un système classique tridimensionel. Ensuite, nous étudions le spectre d’excitation dans la phase ordonnée à température nulle. Pour N = 2 et 3, nous établissons l’existence d’un mode d’amplitude aussi appelé « mode de Higgs » par analogie avec le mécanisme de Higgs en physique des hautes énergies. Pour N = 1, nous montrons l’existence d’un état lié pour des dimensions proches de trois. Enfin, nous calculons la dépendance en fréquence de la conductivité à température nulle et confirmons son universalité, en particulier à la transition. Nous établissons que l’une des composantes du tenseur de conductivité dans la phase ordonnée est une quantité « superuniverselle », ne dépendant ni de la distance au point critique ni de N.

  • Titre traduit

    Dynamics and transport in the vicinity of a quantum phase transition in dimension two


  • Résumé

    We study the relativistic O (N) model, a quantum generalization of the φ⁴ theory used in statistical physics to study some phase transitions. This model describes quantum phase transitions such as the Mott insulator-superluid transition in boson gases trapped in optical latices or the paramagnetic-antiferromagnetic transition in magnets. In two space dimensions, these systems exhibit strong correlations near the transition. We study them using the nonperturbative renormalization group, an implementation of Wilson’s renormalization group. We focus on the universal properties in the vicinity of the zero-temperature quantum phase transition. We determine the universal scaling functions which define the thermodynamics and we show that these functions are related to those describing the critical Casimir forces in a three-dimensional system. Then, we study the excitation spectrum in the zero-temperature ordered phase. For N = 2 and 3, we establish the existence of an amplitude mode, also called “Higgs mode” by analogy with the Higgs mechanism in high-energy physics. For N = 1, we show the existence of a bound state at dimensions close to three. Finally, we compute the frequency-dependent conductivity at zero temperature and confirm its universal character, in particular at the transition. We prove that one of the components of the conductivity tensor in the ordered phase is a “superuniversal” quantity depending neither on the distance to the critical point nor on N.


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