Collective behaviours in interacting spin systems

par Inés Rodríguez-Arias

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alberto Rosso.

Soutenue le 27-09-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de physique théorique et modèles statistiques (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Cécile Monthus.

Le jury était composé de Alberto Rosso, Cécile Monthus, Juan Garrahan, Nicolas Laflorencie, Cristiano Ciuti, Geoffrey Bodenhausen.

Les rapporteurs étaient Juan Garrahan, Nicolas Laflorencie.

  • Titre traduit

    Comportements collectifs dans des systèmes de spins en interaction


  • Résumé

    La polarisation dynamique nucléaire (DNP pour son acronyme en anglais) est une des techniques les plus prometteuses d’amélioration de l’IRM. En pratique, on voudrait utiliser la résonance magnétique nucléaire (RMN) sur d’autres noyaux que ceux d’hydrogène, par exemple le carbone. Pour pouvoir détecter le carbone, sa polarisation de spin doit être augmentée. À l’équilibre thermodynamique — à basse température et forts champs magnétiques — les électrons sont bien plus polarisés que tout système de spin nucléaires, ce qui est dû à leur plus petite masse. La technique de DNP consiste à amener le système hors d’équilibre avec une irradiation par des microondes. Cette irradiation va induire le transfer de polarisation des spins électroniques vers les spins nucléaires. Pendant ma thèse, j’ai étudié, par des méthodes analytiques et numériques, la compétition entre les interactions dipolaires présentes entre les spins électroniques (qui peuvent se régler expérimentalement) et le désordre naturellement présent dans l’échantillon. Pour ce faire, j’ai proposé deux modèles : une chaîne de spins d’Heisenberg et un système de fermions libres dans le modèle d’Anderson. J’ai trouvé l’existence de deux régimes : Pour le régime de fortes interactions, l’état stationnaire a des traces d’un comportement thermodynamique, étant caractérisé par une température effective. Dans le régime de faibles interactions, il n’est pas possible de définir une température effective, et l'on peut le relier à une phase de many-body localization (ou localisation d'Anderson). Mes recherches portent sur l’étude des propriétés deux phases en relation avec la performance de la DNP et j’ai trouvé qu’elle est optimale à la transition entre les deux phases. Ce résultat intéressant a récemment été confirmé par des expériences menées à l’École Normale Supérieure de Paris.


  • Résumé

    Dynamic nuclear polarization (DNP) is one of the most promising techniques towards a new generation of Magnetic Resonance Imaging (MRI). The idea is to use the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) in other nuclei rather than the traditional hydrogen, such as carbon. For the carbon signal to be detected, one needs to enhance its spin polarization. In thermal equilibrium — at low temperature and high magnetic field — electron spins are far more polarized than any system of nuclear spins, which is due to their smaller mass. With the DNP technique we bring the system out-of-equilibrium irradiating it with microwaves. This triggers polarization transfer from the electron spins to the nuclear ones. During my Ph.D, I have studied both analytically and numerically the competition between the dipolar interactions among electron spins (which can be tuned experimentally) and the disorder naturally present in the sample. I proposed two models to study DNP: a Heisenberg spin-chain and a system free-fermions in the Anderson model. Two different regimes were found : For strongly interacting electron spins, the out-of-equilibrium steady state displays an effective thermodynamic behavior characterised by a very low spin temperature. In the weakly interacting regime, it is not possible to define a spin temperature, and it is associated to a many-body localized phase (or an Anderson-localized phase). My research was focused on the properties of the two phases with respect to the performance of DNP, and I found it to be optimal at the transition between the two. This is a very important result that has been verified by recent experiments carried in École Normale Supérieure de Paris.


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