Ce travail présente l'étude du transport électronique à l'interface entre deux oxydes isolants le SrTiO3 et le LaTiO3. Lorsqu'une interface polaire est réalisée à la surface d'un substrat de SrTiO3 non dopé, il se forme un gaz d'électrons bi-dimensionnel confiné près de l'interface. Ce phénomène a été mis en évidence pour différents oxydes isolants formant l'interface (LaAlO3, LaVO3, LaGaO3,...). Nous nous sommes intéressés en particulier à l'interface avec l'isolant de Mott LaTiO3. Nous avons montré que le gaz d'électrons présent à cette interface a un comportement métallique et est supraconducteur à très basse température. Nous avons également pu contrôler les propriétés de transport du gaz par effet de champ électrostatique. L'analyse de l'effet Hall à haut champ magnétique a montré que le gaz est composé de deux types de porteurs : une majorité de porteurs de faible mobilité, et une minorité de porteurs de mobilité plus importante. En accord avec un modèle de courbure de bande développé au cours de cette thèse, nous avons montré que les porteurs majoritaires sont confinés près de l'interface dans les sous-bandes les plus profondes, alors que les porteurs minoritaires sont contrôlés par le remplissage et le déconfinement de sous-bandes plus élevées en énergie. La supraconductivité est intrinsèquement liée à la présence de ces derniers. L'analyse du comportement critique de la transition supraconducteur-isolant en champ magnétique révèle que ces porteurs sont spatialement groupés en flaques de tailles mésoscopiques. Les mesures de magnetorésistance mettent en évidence la présence d'un fort couplage spin-orbite de type Rashba qu'il est possible de moduler par effet de champ électrostatique.

Cette thèse montre de nouveaux résultats sur les supraconducteurs ferromagnétiques UCoGe et URhGe et sur l’ordre caché dans URu2Si2. Le diagramme de phase pression température d’UCoGe a été étudié jusqu’à 10.5 GPa. L’ordre ferromagnétique subsiste jusqu’à la pression critique pc≈1 GPa et la supraconductivité non conventionnelle jusqu’à p = 4 GPa. Les fluctuations magnétiques responsables de la supraconductivité peuvent être réduites par l’application d’un champ magnétique. Les surfaces de Fermi d’UCoGe et d’URhGe ont été mesurées grace aux oscillations quantiques. Quatre poches ont été détectées dans UCoGe, elles subissent une succession de transition de Lifshitz de la surface de Fermi sous champ magnétique. Les poches détectés évoluent continument avec la pression jusqu’à 2.5 GPa, sans montrer de reconstruction de la surface de Fermi à la pression critique pc. Dans URhGe, trois poches lourdes de la surface de Fermi ont aussi été découvertes. Enfin dans la phase d’ordre caché d’URu2Si2, les oscillations quantiques ont révélé une forte anisotropie du facteur gyromagnétique g pour deux poches de la surface de Fermi, qui est comparable à l’anisotropie macroscopique. Cette dernière a été étudiée à partir du champcritique supérieur de la supraconductivité. / This thesis is concentrated on the ferromagnetic superconductors UCoGe and URhGe andon the hidden order state in URu2Si2. In the first part the pressure temperature phase diagram of UCoGe was studied up to 10.5 GPa. Ferromagnetism vanishes at the critical pressure pc≈1 GPa. Unconventional superconductivity and non Fermi liquid behavior can be observed in a broad pressure range around pc. The superconducting upper critical field properties were explained by the suppression of the magnetic fluctuations under field. In the second part the Fermi surfaces of UCoGe and URhGe were investigated by quantum oscillations. In UCoGe four Fermi surface pockets were observed. Under magnetic field successive Lifshitz transitions of the Fermi surface have been detected. The observed Fermi surface pockets in UCoGe evolve smoothly with pressure up to 2.5 GPa and do not show any Fermi surface reconstruction at the critical pressure pc. In URhGe, three heavy Fermi surface pockets were detected by quantum oscillations. In the last part the quantum oscillation study in the hidden order state of URu2Si2 shows a strong g factor anisotropy for two Fermi surface pockets, which is compared to the macroscopic g factor anisotropy extractedfrom the upper critical field study.

Cette thèse traite des systèmes de Hall quantiques en deux dimensions, dans lesquels les électrons peuvent porter plusieurs degrés de liberté discrets différents. Le ferromagnétisme de Hall quantique fournit une manière de traiter ces degrés de liberté électroniques comme des spins et isospins effectifs des électrons. Les différentes phases du système correspondent alors à différents ordres de spin ou d'isospin. En exploitant cette analogie, nous explorons différents aspects des systèmes bi-dimensionnels dans le régime de Hall quantique en étudiant la structure correspondante des spins et isospins. Ce travail consiste en trois parties qui analysent différents matériaux bi-dimensionnels dans le régime de l'effet Hall quantique. Dans chaque projet, nous utilisons la théorie de Hartree-Fock pour étudier le système à plusieurs composantes de spin et d'isospin dans l'approximation de champ moyen. Toutes nos considérations sont directement stimulées par des résultats expérimentaux. Notre motivation principale est d'obtenir une compréhension plus profonde des processus physiques et des mécanismes qui déterminent les propriétés des matériaux à partir d'investigations exclusivement théoriques de modèles abstraits. Nous espérons que cela permettra par la suite de tirer des conclusions sur les expériences, de donner des explications aux phénomènes observés ainsi que de donner des perspectives pour des investigations futures. / The present thesis deals with two-dimensional quantum Hall systems in which the electrons may be endowed with multiple discrete degrees of freedom. Quantum Hall ferromagnetism provides a framework to treat these electronic degrees of freedom as effective spins and isospins of the electrons. Different orderings of the electronic spins and isospins then characterise different possible phases of the system. Using this analogy, various aspects of the two-dimensional systems in the quantum Hall regime are explored theoretically by studying the corresponding spin and isospin structure. The work consists of three parts in which different two-dimensional materials are investigated in the quantum Hall regime. In any of the three projects presented within this thesis, Hartree Fock theory is employed to study the multicomponent spin and isospin system at the mean field level. All our considerations are stimulated directly by experimental results. We draw our main motivation from the key idea that purely theoretical investigations of abstract models may us allow to obtain deeper insights into the physical processes and mechanisms that determine the properties of the materials. This, in turn, we hope to allow conclusions about the experiments by providing possible explanations of the phenomena observed, as well as prospects for future investigations.

In this thesis we study a variety of two- and three-dimensional (2D and 3D, respectively) nodal semimetals, subjected to local electronic interactions or disorder. Such systems constitute a minimal model for various real materials and capture a plethora of interesting physical phenomena therein. Our methodology includes an unbiased renormalization group analysis controlled by epsilon expansions about the appropriate lower critical dimension, mean-field analysis, as well as complementary numerical analyses. First, we focus on emergent symmetries at various infrared unstable quantum critical points, appearing in a renormalization group flow of interaction couplings. We investigate a 3D chiral Dirac semimetal, which in a noninteracting system enjoys a microscopic U(1)⊗SU(2) global symmetry. Though the chiral symmetry is absent in the interacting model, it gets restored (partially or fully) at various fixed points as emergent phenomena. Subsequently, we study a collection of 3D interacting effective spin-3/2 biquadratic Luttinger fermions, and demonstrate the emergence of full rotational symmetry between the distinct nematic sectors (namely Eg and T2g ) of the corresponding octahedral group. We then investigate the effects of electronic interactions at zero and finite temperature and chemical doping in a collection of (i) 2D Dirac and Luttinger fermions, constituting the linearly and quadratically dispersing low-energy excitations in monolayer and bilayer graphene, respectively, and (ii) 3D Luttinger fermions, describing a biquadratic touching of Kramers degenerate conduction and valence bands, relevant in the normal state of 227 pyrochlore iridates, and half-Heusler compounds, for example. These systems exhibit a plethora of competing broken symmetry phases (both magnetic and superconducting) when tuning the strength of interactions, temperature, and chemical doping. In this context we propose the selection rules, identifying the broken symmetry phases promoted by a given interaction channel, and the organizing principle, ordering these preselected phases along the temperature axis based on a generalized energy-entropy argument. Finally, we explore topological aspects of nodal Fermi liquids. We propose an experimentally feasible way to engineer higher-order topological phases via the application of uniaxial strain on a 3D Luttinger semimetal. Favoring a direction, strain explicitly breaks cubic symmetry. We show that the corresponding nematic orderings of Luttinger fermions result in a topological insulator or Dirac semimetal, depending on the sign (compressive or tensile, respectively) of the strain. We show that both of these phases host 1D hinge modes, localized along the edges parallel to the direction of strain, that are therefore second-order topological in nature. We then investigate the effects of disorder on such a second-order Dirac semimetal, and show its stability for weak enough disorder. At a critical disorder strength the system goes through a quantum phase transition into a diffusive metal phase and the toplogical hinge states melt into the bulk. The methodology presented in this thesis can be extended to a large family of correlated multiband systems, such as Weyl and nodal-loop semimetal.

This thesis represents a systematic study of electronic structure of the modulation-free Pb-doped Bi2212 superconducting cuprates with respect to interlayer coupling done by using the angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), which is a leading technique in the experimental investigation of the single particle excitations in solids. The results presented in this work indicate a very different origin for the observed complex spectra lineshape. Specifically, the peak-dip-hump lineshape can be easily understood in terms of the superposition of spectral features due to bilayer band splitting, namely the splitting of the CuO2 plane derived electronic structure in bonding and antibonding bands due to the interlayer coupling of CuO2 bilayer blocks within the unit cell of Bi2212. By performing experiments at synchrotron beamlines where the energy of the incoming photons can be tuned over a very broad range, the detailed matrix elements energy dependence for both bonding and antibonding bands was determined. This gave the opportunity to study the electronic properties these two bands separately. For the first time, it was proved that the superconducting gap has the same value and symmetry for both bands. Furthermore, having recognized and sorted out the bilayer splitting effects, it became possible to identify more subtle effects hidden in the details of the ARPES lineshapes. On underdoped samples an "intrinsic" peak-dip-hump structure due to the interaction between electrons and a bosonic mode was observed. Studying the doping, temperature, and momentum dependence of the photoemission spectra it was established that: the mode has a characteristic energy of 38-40 meV and causes strong renormalization of the electronic structure only in the superconducting state; the electron-mode coupling is maximal around the (?à,0) point in momentum space and is strongly doping dependent (being greatly enhanced in the underdoped regime). From the above, it was concluded that the bosonic mode must correspond to the sharp magnetic resonance mode observed in inelastic neutron scattering experiments, and that this coupling is relevant to superconductivity and the pairing mechanism in the cuprates.

We study the low-temperature physics arising in models of a strongly correlated, tunnel-coupled double quantum dot (DQD), particularly the two-impurity Anderson model (2AIM) and the two-impurity Kondo model (2IKM), employing a combination of physical arguments and the Numerical Renormalisation Group. These models exhibit a rich range of Kondo physics. In the regime with essentially one electron on each dot, there is a competition between the Kondo effect and the interdot exchange interaction. This competition gives rise to a quantum phase transition (QPT) between local singlet and Kondo singlet phases in the 2IKM, which becomes a continuous crossover in the 2AIM as a result of the interlead charge transfer present. The 2IKM is known to exhibit two-channel Kondo (2CK) physics at the QPT, and we investigate whether this is also the case for the 2AIM at the crossover. We find that while in principle 2CK physics can be observed in the 2AIM, extremely low temperatures are required, such that it is unlikely that 2CK physics will be observed in an experimental DQD system in the near future. We have studied the effect of a magnetic field on the 2AIM and the 2IKM, finding that both the zero-field QPT in the 2IKM and the zero-field crossover in the 2AIM, persist to finite field. This presents the possibility of observing 2CK physics in an experimental DQD at finite field, but we find that the temperatures required to do so are extremely low. We show that longer even-numbered chains of spins also exhibit QPTs at finite field, and argue that a 2N-spin chain should undergo N QPTs as field is increased (starting deep in the local singlet phase at zero field). We have also carried out a joint theoretical-experimental study of a carbon nanotube based DQD, in collaboration with Dr. Mark Buitelaar et al. The agreement between experimental and theoretical results is good, and the experiments are able to access the crossover present in the 2AIM at finite field. Furthermore, the experiments show the wide range of physics exhibited by DQD systems, and illustrate the utility of such systems in probing correlated electron physics.

Le but de cette thèse est l'étude des propriétés de résonance ferromagnétique (RFM) de nanostructures et contacts atomiques. Pour ce faire, nous exploitons le fait que les propriétés de transport électrique sont dominées par le contact atomique, et nous utilisons une détection électrique. Nous avons développé un nouveau dispositif expérimental dans lequel un dispositif mécanique de jonctions à cassure est conçu pour un environnement hyperfréquence où les mesures électriques peuvent être réalisées avec des champs magnétiques statiques et dynamiques variables. Des nanostructures ont d'abord été mesurées pour déterminer la fiabilité et la grande sensibilité de notre système. Ensuite la susceptibilité, de parois de domaines à des fréquences supérieures à celles les propageant, a été déterminée comme indépendante de la fréquence. Cette susceptibilité était environ 10 fois supérieure à celle des domaines saturés. Le dispositif expérimental permet également d'étudier l'interaction entre courants de spins et propriétés dynamiques de nanostructures pendant la résonance ferromagnétique. Les courants de spins générés dynamiquement à la RFM ont été mesurés en utilisant l'effet Hall inverse de spin dans des nanostructures Py/Pt. L'influence, sur la RFM, des courants de spin inject'es par effet Hall de spin dans le platine, y a également été observée. Dans les contacts atomiques la RFM a aussi été étudiée à l'aide de mesures du signal rectifié. Lors de la cassure de nos nanostructures de cobalt ou de permalloy, de nouveaux modes de résonance apparaissent à des champs plus élevés que la résonance uniforme. Nous attribuons cet effet à la modification des champs démagnétisant lors de la réduction du diamètre de la constriction. Dans la géométrie du contact atomique, nous avons mesuré la résonance de parois de domaines contraintes. Dans ce cas, le signal rectifié généré par quelques atomes, dépend fortement de la fréquence et peut atteindre des valeurs 1000 fois supérieures à celles de la RFM des domaines avant cassure.

Cette thèse s'intéresse à l'interaction entre le couplage spin-orbite et les corrélations électroniques dans la matière condensée. En effet, de plus en plus de matériaux - tels que les isolants topologiques ou les oxydes de métaux de transition 5d à base d'iridium - présentent des propriétés pour lesquels l'interaction spin-orbite joue un rôle essentiel. Parmi eux, l'iridate de strontium (Sr2IrO4) a récemment été décrit comme un "isolant de Mott régi par les effets spin-orbite": dans cette image, l'interaction de Coulomb entre les électrons et le couplage spin-orbite se combinent pour rendre le composé isolant. Nous avons étudié la phase isolante paramagnétique de ce matériau avec l'approche LDA+DMFT, une méthode qui combine la théorie de la fonctionnelle de la densité dans l'approximation de la densité locale (LDA) avec la théorie du champ moyen dynamique (DMFT). Sr2IrO4 s'est avéré être un isolant de Mott pour une valeur raisonnable des corrélations électroniques une fois que le couplage spin-orbite et les distorsions structurales du cristal ont été pris en compte. En outre, nos résultats mettent en évidence les rôles respectifs joués par ces deux éléments dans l'obtention d'un état isolant et montrent que seule leur action conjointe permet d'ouvrir un gap de Mott dans un tel composé. Afin de réaliser cette étude, le couplage spin-orbite a dû être inclus au sein du formalisme LDA+DMFT. L'intérêt d'un tel développement technique dépasse le cas de Sr2IrO4, cette implémentation, dite "LDA+SO+DMFT", pouvant être aussi utilisée pour prendre en compte les corrélations électroniques dans d'autres oxydes de métaux de transition 5d ou même au sein des isolants topologiques.

Dans le schéma de l'allumeur rapide, dernière avancée dans le domaine de la fusion par confinement inertiel, on envisage de découpler la phase de compression de la phase de chauffage du combustible nucléaire. Cette dernière serait atteinte à l'aide d'une source extérieure constituée par un faisceau d'électrons très énergétiques créé avec un laser ultra-intense. L'étude des mécanismes de transfert d'énergie de ces électrons au combustible comprimé représente le but principal de ce travail de thèse. Nous nous proposons en particulier de mettre en évidence et d'étudier le rôle joué par les effets électriques et collisionnels de la propagation du faisceau d'électrons rapides dans un milieu aux propriétés proches du combustible comprimé. Nous avons pour cela effectué deux campagnes d'expériences, l'une avec l'installation laser VULCAN du RAL (Angleterre) et l'autre sur la nouvelle installation laser 100 TW du laboratoire LULI (France). Lors de la première expérience, nous avons obtenu les premiers résultats sur la propagation d'électrons rapides dans un matériau dense et chaud. Le caractère novateur de ce travail expérimental tient en particulier à l'utilisation de la technique de génération de hautes pressions par choc laser, ce qui a permis la création d'un plasma fortement corrélé et dégénéré. Le rôle des effets électriques et magnétiques, liés à la charge d'espace créée par le faisceau d'électrons rapides, a été approfondi lors de la deuxième campagne d'expérience, au cours de laquelle nous avons étudié la propagation des électrons dans des matériaux ayant des caractéristiques électriques différentes (isolant ou conducteur). L'analyse des résultats montre que seule la prise en compte simultanée des deux mécanismes de la propagation (collisionnels et électriques) permet un traitement correct et complet du dépôt d'énergie. La nécessité de prendre en compte les modifications apportées à la matière par le passage même des électrons, et notamment le chauffage induit, a été également mise en évidence.

Ce travail a pour but l'étude de la transition de Mott dans le silicium dopé au phosphore (ou à l'arsenic) au moyen de la double résonance électron-noyau et de la résonance nucléaire du Si29.