La première partie de la thèse étudie le diagramme de phase d’une généralisation de la chaîne de Kitaev qui décrit un système fermionique avec un pairing p-wave à long rayon qui tombe avec la distance ℓ comme 1/ℓα. On a analysé les lignes critiques, les corrélations et le comportement de l’entropie d’entanglement avec la taille du système. Nous avons démontré l’existence de deux régimes massifs, (i) où les fonctions de corrélation tombent exponentiellement à de courtes distances et comme puissance à de longues distances (α > 1), (ii) où elles tombent à puissance seulement (α < 1). Dans la seconde région l’entropie d’intrication d’un sous-système diverge logarithmiquement. Remarquablement, sur les lignes critiques, le pairing à long rayon brise la symètrie conforme du modèle pour des α suffisamment petits. On a prouvé ça en calculant aussi l’évolution temporelle de l’entropie d’intrication après un quench. Dans la seconde partie de la thèse nous avons analysé la dynamique de l’entropie d’intrication du modèle d’Ising avec un champ magnétique qui dépend linéairement du temps avec de différentes vitesses. Nous avons un régime adiabatique (de basses vitesses) lorsque le système évolue selon son état fondamental instantané; un sudden quench (de hautes vitesses) lorsque le système est congelé dans son état initial; un régime intermédiaire où l’entropie croît linéairement et, ensuite, elle montre des oscillations du moment que le système se trouve dans une superposition des états excités de l’Hamiltonienne instantanée. Nous avons discuté aussi du mécanisme de Kibble-Zurek pour la transition entre la phase paramagnétique et antiferromagnétique. / In the first part of the thesis, we propose an exactly-solvable one-dimensional model for fermions with long-range p-wave pairing decaying with distance ℓ as a power law 1/ℓα. We studied the phase diagram by analyzing the critical lines, the decay of correlation functions and the scaling of the von Neumann entropy with the system size. We found two gapped regimes, where correlation functions decay (i) exponentially at short range and algebraically at long range (α > 1), (ii) purely algebraically (α < 1). In the latter the entanglement entropy is found to diverge logarithmically. Most interestingly, along the critical lines, long-range pairing breaks the conformal symmetry for sufficiently small α. This can be detected also via the dynamics of entanglement following a quench. In the second part of the thesis we studied the evolution in time of the entanglement entropy for the Ising model in a transverse field varying linearly in time with different velocities. We found different regimes: an adiabatic one (small velocities) when the system evolves according the instan- taneous ground state; a sudden quench (large velocities) when the system is essentially frozen to its initial state; and an intermediate one, where the entropy starts growing linearly but then displays oscillations (also as a function of the velocity). Finally, we discussed the Kibble-Zurek mechanism for the transition between the paramagnetic and the ordered phase

Nous proposons, par voie théorique, une sonde ayant la capacité de détecter et de caractériser les états de surface d'une chaîne Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Cette sonde consiste d’un qubit interagissant avec un environnement, et exploite le phénomène de la décohérence afin de retirer de l’information sur l’environnement. Une approximation de faible couplage permet de démontrer analytiquement que le taux de décohérence du qubit est proportionnel à la densité d’états locale de l’environnement. Dans le cas d’un environnement possédant des états discrets, une mesure de la densité d’états locale peut être équivalente à une mesure de l’amplitude d’un état, permettant donc une caractérisation spatiale des états de l’environnement. Un système tripartite consistant d'un qubit couplé à une chaîne SSH discrète muni de canaux conducteurs aux extrémités est étudié afin de valider l’utilité de la sonde pour inférer et caractériser les états de surface. L’espace des paramètres de la sonde est discuté en détail. En étudiant l’impact du couplage des canaux conducteurs, nous notons l’émergence d’états de type-surface sur des sites interdits ainsi que dans des phases topologiques ne supportant pas d’états de surface dans le modèle SSH isolé. Ces excitations, que nous appelons états fantômes, apparaissent dû à un décalage des frontières de la chaîne SSH. / We propose a novel probe with the ability to detect topological edge states in lowdimensional materials. This probe, consisting of a qubit interacting with a system of interest, utilizes the dynamics of decoherence to study the qubit’s environment. We show analytically that, under a weak-coupling approximation, the decoherence rate of the qubit is proportional to the local density of states of the environment. In studying environments featuring finite subsystems with discrete states, the local density of states mapped by the qubit probe can extract state amplitude profiles, resulting in a full spatial characterization of states. We explicitly study a tripartite system consisting of a qubit coupled to a finite SSH chain with conducting leads attached to each end and demonstrate the probe’s ability to infer the presence of, and characterize, edge states. The parameter space of the probe is studied. Notably, we show the lead coupling strength effectively shifts the SSH chain boundaries resulting in emergent edge-type states, dubbed ghost states, with support on sites which are forbidden in an isolated SSH chain for a given topological phase.

[pt] Nesta tese estudamos dois importantes sistemas de Isoladores Topológicos (TIs), onde nos concentramos particularmente no papel das interações e percolação nos estados de borda topológicos. Primeiro, analisamos o papel das interações vizinhas mais próximas em um protótipo de TI unidimensional, o modelo Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Com base em um formalismo de função de Green, aplicamos a equação de Dyson em combinação com a aproximação da matriz-T para verificar a correspondência bulk-edge na presença de interações. Os expoentes críticos próximos às transições de fase topológicas são os mesmos do modelo SSH não interagente, indicando que o sistema permanece na mesma classe de universalidade, apesar da presença de interações. O segundo sistema é um TI bidimensional simétrico na inversão de tempo, ou seja, o modelo de Bernevig-Hughes-Zhang (BHZ) em conjunto com um metal ferromagnético com quebra de reversão do tempo (FMM), onde investigamos a percolação do estado Hall de spin quântico do modelo BHZ para o FMM por meio de um modelo de ligações fortes (tight-binding). Demonstramos que dependendo de se o estado de borda do cone de Dirac submerge nas sub-bandas do FMM e da direção da magnetização do FMM, a percolação do estado de borda e seu spin-momentum-locking são afetados de maneiras diferentes. Surpreendentemente, descobrimos que a corrente de spin de borda de equilíbrio no modelo BHZ, naturalmente esperada dos estados de borda de propagação do spin polarizado, está de fato ausente devido ao cancelamento das bandas de valência. No entanto, fluxos laminares de correntes de carga e spin persistente à temperatura ambiente são produzidos perto da interface da junção BHZ / FMM. Usando teoria de resposta linear, investigamos a polarização de spin induzida pela corrente causada pela percolação do estado de borda, que serve como um torque de rotação que é encontrado ser predominantemente field-like. Além disso, a polarização do spin é dramaticamente aumentada perto das impurezas na borda do modelo BHZ. / [en] In this thesis we studied two important Topological Insulators (TIs), where we focused particularly on the role of interactions and percolation on the topological edge states. First, we analyzed the role of nearest-neighbor interactions in a prototype one-dimensional TI, namely the Su-Schrieffer-Heeger (SSH) model. Based on a Green s function formalism, we applied Dyson s equation in combination with T-matrix approximation to verify the bulk-edge correspondence in the presence of interactions. The critical exponents near topological phase transitions are found to be the same as the noninteracting SSH model, indicating that the system stays in the same universality class despite the presence of interactions. The second system is a two-dimensional timereversal symmetric TI, namely the Bernevig-Hughes-Zhang (BHZ) model in conjunction with a time-reversal breaking ferromagnetic metal (FMM), where we investigated the percolation of the quantum spin Hall state from the TI layer to the FMM by means of a tight-binding model. We demonstrated that depending on whether the edge state Dirac cone submerges into the FMM subbands and the direction of the magnetization of the FMM, the percolation of the edge state and its spin-momentum locking are affected in different ways. Surprisingly, we uncover that the equilibrium edge spin current in the BHZ model, naturally expected from the spin polarized propagating edge states, is in fact absent due to the cancellation from the valence bands. Nevertheless, laminar flows of room temperature persistent charge and spin currents are produced near the interface of the BHZ/FMM junction. Using a linear response theory, we investigate the current-induced spin polarization caused by the percolation of the edge state, which serves as a spin torque that is found to be predominantly field-like. Moreover, the spin polarization is dramatically enhanced near the impurities at the edge of the BHZ model.

Nous considérons une chaîne de Su-Schrieffer-Heeger (SSH) à laquelle nous attachons une chaîne semi-infinie non dimérisée aux deux extrémités. Nous étudions l’effet d’un tel couplage sur les propriétés du modèle de SSH. En particulier, la représentation d’un tel système infini sous forme de système effectif fini nous permet d’examiner ses états de surface topologiques. Nous montrons que, comme ce à quoi on s’attendrait, les états de surface initiaux évoluent à mesure que le couplage entre les systèmes augmente. Alors que ce couplage augmente, deux phénomènes sont observés: d’un côté, ces états de surface disparaissent progressivement, et de l’autre côté, de nouveaux états de surface émergent. Ces nouveaux états, que nous appelons états fantômes, sont aussi des états de basse énergie. Une particularité surprenante de ceux-ci est qu’ils sont localisés sur une nouvelle interface: celle-ci est passée du premier (et dernier) site au deuxième (et avant-dernier) site, ce qui suggère que la topologie du système est fortement influencée par les chaînes semi-infinies. La topologie du système tripartite peut être classifiée selon trois régimes. Pour le régime de faible couplage, le système est dans une phase topologique bien définie; pour de grands couplages, il est dans sa phase opposée; pour le régime intermédiaire, sa nature topologique n’est pas encore bien comprise. / We consider a Su-Schrieffer-Heeger (SSH) chain to which we attach a semi-infinite undimerized chain (lead) to both ends. We study the effect of the openness of the SSH model on its properties. In particular, an accurate representation of the infinite system using an effective Hamiltonian allows us to examine its topological edge states. We show that, as one would expect, the initial edge states evolve as the coupling between the systems is increased. As this coupling grows, these states slowly vanish, while a new type of edge states emerge. These new states, which we refer to as ghost states, are also low-energy states. A surprising property of these states is that they are localized on a new interface: the interface has moved from the first (and last) site to the second (and second to last) site. This suggests that the topology of the system is strongly affected by the leads, with three regimes of behaviour. For very small coupling the system is in a well-defined topological phase; for very large coupling it is in the opposite phase; in the intermediate region, its topological nature is yet to be understood.