La skutterudite PrOs4Sb12 est le premier composé à fermion lourd supraconducteur à base de Praséodyme. Cette thèse s'attache à répondre à plusieurs questions le concernant comme la détermination de l'intensité de la renormalisation <br />de la masse des quasi-particules, la nature et le mécanisme à l'origine de la supraconductivité et la nature intrinsèque ou extrinsèque de la double transition supraconductrice vue en chaleur spécifique. <br /><br />Nous proposons une interpolation de la chaleur spécifique en phase normale en tenant compte des interactions magnétiques entre ions Pr. Nous extrayons alors un terme électronique de chaleur spécifique compris entre 300 et 750mJ/K2.mol(Pr). L'analyse du saut en chaleur spécifique à la transition supraconductrice confirme que les quasi-particules lourdes sont impliquées dans la supraconductivité et que la supraconductivité est en régime de couplage fort. Des caractérisations systématiques par chaleur spécifique, résistivité et susceptibilité indiquent que la double transition apparaît dans les meilleurs échantillons. Néanmoins nous apportons les premiers doutes sérieux sur sa nature intrinsèque, parce que nous avons trouvé plusieurs échantillons avec une unique transition étroite et parce qu'une forte dispersion dans la valeur du rapport des deux sauts en chaleur spécifique a été mise en évidence. De plus, en établissant les diagrammes de phase supraconducteurs sous champ magnétique et sous pression jusqu'à 4.2 GPa par chaleur spécifique alternative, nous montrons que les deux transitions <br />supraconductrices Tc1 et Tc2 présentent des comportements similaires. Nous avançons l'hypothèse que le fort changement dans l'évolution des Tc sous pression au dessus de 2 GPa est dû à un changement de nature de la supraconductivité (impliquant des fluctuations puis uniquement phononique à respectivement basse et haute pression) en lien avec l'augmentation du gap de champ cristallin des ions Pr sous pression. L'analyse du second champ critique Hc2(T) montrent la présence d'au moins deux bandes supraconductrices et conclue à la nature singulet du spin des paires de Cooper. Une forte distorsion du réseau de vortex, constante avec le champ et la température, est obtenue par diffraction de neutrons. Des mesures supplémentaires ou un nouveau calcul seraient nécessaires pour trancher entre une explication basée sur la présence de zéros dans le gap supraconducteur et une analyse basée sur la topologie de la surface de Fermi en symétrie Th.

Les excitations dans les systemes superfluides sont decrites a l'aide du<br />formalisme QRPA, qui repose sur la theorie de la fonctionnelle de la<br />densite. Les effets du continuum dans les noyaux proches de la drip-line<br />sont etudies. Experimentalement, l'etude de la magicite a l'aide de la<br />diffusion de protons est rendue possible grace a une methode utilisant le<br />dectecteur MUST. Les densites de transition calculees, permettent de<br />reproduire les distributions angulaires sur une chaine isotopique.<br />Finalement, l'etude des etats collectifs est applique au processus r, a la<br />croute des etoiles a neutrons, aux pieges d'atomes fermioniques et aux<br />rayons cosmiques de ultra-haute energie.

Ce mémoire décrit la construction d'une expérience visant à produire un gaz de $^6$Li fermionique dégénéré par refroidissement évaporatif dans un piège magnétique. Il décrit également quelques propriétés d'un gaz de fermions dans le régime de dégénérescence quantique. A cause du principe d'exclusion de Pauli, le refroidissement évaporatif standard d'un gaz de fermions devient inefficace à basse température. La méthode proposée dans ce mémoire contourne cette limitation grâce à l'utilisation d'un mélange de fermions ($^6$Li), et bosons ($^7$Li). Le montage réalisé comprend un jet intense d'atomes de lithium ralentis par laser, un piège magnéto-optique à faisceaux de gros diamètre et un piège magnétique conçu de façon à produire de très forts gradients de champs. Une nouvelle source laser à semiconducteur émettant plusieurs composantes de fréquence autour de 670 nm a été développée. Ainsi 4 10$^(8)$ atomes de $^6$Li et 10$^(10)$ atomes de $^7$Li ont été confinés simultanément dans le piège magnéto-optique à une température de 1 mK. Les atomes sont ensuite transférés dans une zone éloignée de 5 cm où un piège de Ioffe-Pritchard à fort gradient les confine. Ce piège contient actuellement 4 10$^(8)$ atomes de $^7$Li à une température $\simeq$2 mK, et possède une durée de vie de 75 s. Sur un plan théorique, ce mémoire propose une nouvelle méthode de mesure de la dégénérescence de Fermi pour un gaz idéal. Cette méthode est très sensible. Elle repose sur l'inhibition de la relaxation collisionnelle d'un gaz de particules tests lorsque la température devient plus faible que la température de Fermi. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode de refroidissement optique combinant collisions inélastiques et pompage optique.

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.

L'effet Nernst a connu, ces quinze dernières années, un regain d'attention, en particulier en raison de son comportement dans les cuprates supraconducteurs à haute température critique dopés aux trous. En effet, on observe dans ces composés la persistance tant en température qu'en champ magnétique d'un signal Nernst fini en dehors de la phase supraconductrice, alors que ce dernier n'est censé être non nul, dans le cas de métaux simples, que dans la phase vortex. Ce résultat a revêtu une certaine importance en ce sens qu'il appuyait expérimentalement, parmi d'autres résultats, un scénario de type paires préformées et excitations de type vortex dans la phase normale des cuprates dopés aux trous. Cependant, l'interprétation de l'effet Nernst souffre d'un manque de données expérimentales dans d'autres systèmes à électrons fortement corrélés. C'est initialement ce qui a motivé le travail de cette thèse, qui rassemble des résultats obtenus de 2001 à 2004 au Laboratoire de Physique Quantique - ESPCI à Paris, et qui est majoritairement constitué de mesures d'effet Nernst dans une autre classe de composés à électrons fortement corrélés : les fermions lourds. Plus particulièrement, nous avons mesuré l'effet Nernst à pression nulle dans une fenêtre de température comprise entre 1,5K et 50K et pour des champs magnétiques de 0 à 12T, dans trois composés : CeCoIn5, URu2Si2 et CeRu2Si2. Ces mesures constituent, à l'heure actuelle, les seules mesures d'effet Nernst effectuées sur des fermions lourds. Dans les trois cas, nous avons découvert dans la phase métallique l'émergence d'un effet Nernst géant dont l'amplitude dépasse de plusieurs ordres de grandeur la taille du signal attendu dans un métal simple, et qui atteint celle caractéristique des vortex dans la phase mixte des cuprates, à savoir quelques µV/KT. Plus particulièrement, CeCoIn5 héberge un effet Nernst négatof très important dans la partie non liquide de Fermi de son diagramme de phase, associée à la présence d'un point critique à Bc=5T. Cependant, l'effet Nernst que nous avons mesuré ne présente aucune anomalie à Bc, mais plutôt dans la limite B=0T, où le coefficient Nernst atteint 1µV/KT. L'émergence d'un effet Nernst positif important dans URu2Si2 coïncide avec l'entrée dans la phase ordre caché, et encore ici c'est à bas champ que le coefficient Nernst atteint son maximum de 4µV/KT, qui constitue le plus grand effet Nernst jamais mesuré dans une phase métallique. Enfin, c'est le métamagnétisme de CeRu2Si2 qui semble particulièrement affecter l'effet Nernst, puisque celui-ci présente, à Hm, un changement de signe particulièrement prononcé et coïncidant avec le maximum de chaleur spécifique. Par ailleurs, une des caractéristiques générales frappantes de cette émergence est qu'elle coïncide, dans les trois composés, avec la présence d'un angle de Hall également très élevé, et dont, en particulier dans CeCoIn5 et CeRu2Si2, la structure est assez proche de celle de l'effet Nernst. La présence de ce signal reste encore aujourd'hui particulièrement intrigante, en particulier en l'absence de mesures systématiques sur d'autres composés aux fermions lourds. Cependant, mais de façon très schématique, nous avons montré que la renormalisation de la masse pouvait être un ingrédient à l'origine de cet effet Nernst géant. De plus, pour chacun des composés des pistes peuvent être avancées pour déterminer l'origine de cet émergence : proximité d'un point critique quantique, fluctuations antiferromagnétiques, ondes de densité... Nous discutons en fin de cette thèse les divers scénarios et proposons des mesures futures afin de confirmer ou d'infirmer ces diverses propositions.

Nous étudions l'antiferromagnétisme et la supraconductivité dans les systèmes fermioniques quasi-unidimensionnels à partir du modèle de Hubbard bidimensionnel anisotrope. Le diagramme de phases est obtenu en utilisant une approche de groupe de renormalisation fonctionnelle. Nous mettons en évidence l'existence d'un passage entre un régime unidimensionnel à haute température et un régime bidimensionnel à basse température. Dans ce dernier, selon les propriétés d'emboîtement de la surface de Fermi et la portée effective de l'interaction entre électrons, les fluctuations de spin et de charge peuvent induire une phase antiferromagnétique, une phase supraconductrice singulet de symétrie d, une phase supraconductrice triplet f ou une onde de densité de charge. Ces résultats sont comparés aux résultats expérimentaux obtenus dans les conducteurs organiques (TMTSF)_2X de la famille des sels de Bechgaard, qui pourraient indiquer l'existence d'une phase supraconductrice triplet au voisinage de la phase antiferromagnétique. Nous étudions également l'effet d'un potentiel supplémentaire de période double dans la direction perpendiculaire à celle de forte conductivité, situation réalisée dans le composé (TMTSF)_2ClO_4. Il y a dans ce cas deux bandes électroniques au niveau de Fermi. Plusieurs composantes de Fourier des fluctuations de spin sont alors en compétition, et parfois couplées. C'est également vrai pour les fluctuations supraconductrices. Il en résulte un diagramme de phases très riche, comprenant deux phases antiferromagnétiques et deux phases supraconductrices, l'une de symétrie dominante d, l'autre g.

Cette habilitation propose une revue de l'effet d'impuretés non magnétiques ou magnétiques dans des systèmes de fermions fortement corrélés de basse dimension. Dans une première partie, on montre l'effet des ces impuretés sur les propriétés magnétiques de chaînes ou échelles de spin. Dans une seconde partie, on montre comment cet effet se transforme dans le cas des supraconducteurs à haute température critique, tant dans leur état normal que supraconducteur. Il est démontré que l'impureté peut servir d'outil efficace et original pour sonder les propriétés magnétiques locales de ces systèmes, en particulier en utilisant conjointement la Résonance Magnétique Nucléaire. Au passage, une revue est proposée des propriétés physiques des chaînes, echelles, et surtout des supraconducteurs à haute Tc.

Cette these est une etude detaillee de la structure interne d'objets cosmologiques, de type defaut topologique et membrane en dimensions supplementaires, possedant des courants de fermions. <br> La premiere partie presente le cadre general de la cosmologie primordiale dans lequel ces objets peuvent se former lors des brisures de symetrie associees aux theories de physique des particules. Dans la deuxieme partie, la dynamique des cordes cosmiques, une classe privilegiee de defauts, est decrite a l'aide d'un formalisme macroscopique covariant. Qu'elles soient ou non parcourues par des courants, ce formalisme offre une description unifiee des cordes permettant de predire leur evolution cosmologique par le biais de simulations numeriques. Apres avoir justifie la validite de l'approche macroscopique pour des cordes possedant un courant de particules scalaires, le cas des courants fermioniques est detaille dans la troisieme partie. Dans un premier temps, le spectre de masse des fermions pieges dans une corde est determine, et suggere que leurs modes de propagation privilegies sont de masse non nulle. Dans un deuxieme temps, l'equation d'etat d'une telle corde est obtenue a l'aide d'une quantification des modes de propagation des fermions le long de la corde. Il apparait que l'approche macroscopique usuelle a un parametre n'est pas toujours suffisante pour decrire les fermions. D'autres parts, contrairement aux cordes parcourues par des bosons, les courants de fermions engendrent des transitions, dans la dynamique des cordes, entre des regimes subsoniques et supersoniques dont les consequences cosmologiques pourraient etre importantes. La quatrieme partie generalise ces resultats au cas d'un mur de domaine quadri-dimensionnel, modelisant notre univers, et plonge dans un espace-temps a cinq dimensions. Dans le cadre du modele de Randall-Sundrum, il est ainsi possible de predire la masse des fermions stables pieges sur la membrane.

Cette thèse traite du problème à N+1 corps dans les gaz de fermions ultrafroids fortement polarisés. Il s'agit de la situation où un unique atome d'une espèce de spin est immergé dans une mer de Fermi d'atomes de l'autre espèce.<br /> <br /> La première partie utilise une approche hamiltonienne basée sur un développement général de la fonction d'onde du système faisant intervenir un nombre arbitraire de paires particule-trou. Nous montrons que la série d'approximations successives construite converge très rapidement et nous obtenons ainsi une solution essentiellement exacte pour l'énergie et la masse effective du polaron. En dimension 1, dans deux cas particuliers, ce problème peut être résolu analytiquement. La comparaison avec notre série d'approximations est excellente et confirme l'efficacité de ce développement. Enfin, nous précisons les différents cas limites, ainsi que l'influence du rapport des masses entre les deux espèces de spin.<br /> <br /> Dans une deuxième partie, nous utilisons le formalisme des diagrammes de Feynman pour décrire à la fois le polaron et l'état lié. Pour le polaron, nous construisons une théorie équivalente à l'approche hamiltonienne. Pour l'état lié, nous obtenons à nouveau une série d'approximations dont la convergence très rapide vers la solution exacte est parfaitement comprise. Cette approche nous fournit donc une solution quasi-exacte au problème tout au long de la transition BEC-BCS. Enfin, en comparant les énergies des deux quasi-particules, nous étudions la position de la transition polaron - état lié.

Multilayer epitaxial graphene has been shown to contain "massless Dirac fermions" and is believed to provide a possible route to industrial-scale graphene electronics. We used scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) in high magnetic fields to obtain local information on these fermions. A new STS technique was developed to directly measure graphene's energy-momentum relationship and resulted in the highest precision measurement of graphene's Dirac cone. STS spectra similar to ideal graphene were observed, but additional anomalies were also found. Extra peaks and an asymmetry between electron and hole states were shown to be caused by the work function difference between the Iridium STM tip and graphene. This tip effect was extracted using modeled potentials and performing a least square fit using degenerate perturbation theory on graphene's eigenstates solved in the symmetric gauge. Defects on graphene were then investigated and magnetic field effects were shown to be due to a mixture of potential effect from defects and the tip potential. New defect states were observed to localize around specific defects, and are believed to interact with the STM tip by Stark shifting in energy. This Stark shift gives a direct measurement of the capacitive coupling between the tip and graphene and agrees with the modeled results found when extracting the tip potential.