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.

This investigation address the effect that pressure, p, and temperature, T, have on 4f-states of the rare-earth elements in the isostructural YbRh2Si2, EuCo2Ge2, and EuCu2Ge2 compounds. Upon applying pressure, the volume of the unit cell reduces, enforcing either the enhancement of the hybridization of the 4f-localized electrons with the ligand or a change in the valence state of the rare-earth ions. Here, we probe the effect of a pressure-induced lattice contraction on these system by means of electrical resistivity, from room temperature down to 100 mK. At ambient pressure, the electrical resistivity of YbRh2Si2 shows a broad peak at 130 K related to the incoherent scattering on the ground state and the excited crystalline electrical field (CEF) levels. At T_N = 70 mK, YbRh2Si2 undergoes a magnetic phase transition. Upon applying pressure up to p_1 = 4 GPa , T_N increases monotonously while the peak in the electrical resistivity is shifted to lower temperatures. For p &amp;lt; p_1 a different behavior is observed; namely, T_N depends weakly on the applied pressure and a decomposition of the single peak in the electrical resistivity into several shoulders and peaks occurs. Above p_2 = 9 GPa, the electrical resistivity is significantly reduced for T &amp;lt; 50 K and this process is accompanied by a sudden enhancement of T_N. Thus, our results confirm the unexpected behavior of the magnetization as function of pressure reported by Plessel et al. The small value of the magnetic ordering temperature for p &amp;lt; p_2 and the strength of the mechanism that leads to the peaks and shoulders in the electrical resistivity suggest that the f-electrons are still screened by the conduction electrons. Therefore, the observed behavior for pressures lower than p_2 might be a consequence of the competition of two different types of magnetic fluctuations (seemingly AFM and FM). Furthermore, the results suggest that a sudden change of the CEF scheme occurs at pressures higher than p_1, which would have an influence on the ground state. Additionally, a comparison of the pressure dependent features in the electrical resistivity of YbRh2Si2 with similar maxima in other isostructural YbT2X2 (T = transition metal; X = Si or Ge) compounds was performed. For the comparison, a simple relation that considers the Coqblin-Schrieffer model and the hypothesis of Lavagna et al. is proposed. A systematic behavior is observed depending on the transition metal; namely, it seems that the higher the atomic radii of the T-atom the smallest the pressure dependence of the maximum in the electrical resistivity, suggesting a weaker coupling of localized- and conduction-electrons. It is also observed that an increase in the density of conduction electrons reduces the pressure dependence of the characteristic Kondo temperature. The mechanism responsible for the sudden enhancement of T_N in YbRh2Si2 at about p_2 is still unknown. However two plausible scenarios are discussed. The Eu-ions in EuCo2Ge2 and EuCu2Ge2 have a divalent character in the range 100 mK &amp;lt; T &amp;lt; 300 K. Therefore, these systems order magnetically at T_N = 23 K and T_N = 12 K, respectively. The studies performed on EuCo2Ge2 and EuCu2Ge2 as a function of pressure suggest that a change to a non-magnetic trivalent state of the Eu-ions might occur at zero temperature for pressures higher than 3 GPa and 7 GPa, respectively. A common and characteristic feature on EuCo2Ge2 and EuCu2Ge2 is the absence of a clear first order transition from the divalent to the trivalent state of the Eu-ions at finite temperature for p &amp;gt; 3 GPa and for p &amp;gt; 7 GPa, respectively. In other isostructural Eu-based compounds, a discontinuous and abrupt change in the thermodynamic and transport properties associated to the valence transition of the Eu-ions is typically observed at finite temperatures. In contrast, the electrical resistivity of EuCo2Ge2 and EuCu2Ge2 changes smoothly as a function of pressure and temperature. The analysis of the the electrical resistivity of EuCo2Ge2 suggest that a classical critical point might be close to the AFM-ordered phase, being a hallmark of this compound. The overall temperature dependence of the the electrical resistivity of EuCo2Ge2 changes significantly at 3 GPa; therefore, it seems that the system suddenly enters to a T-dependent valence-fluctuating regime. Additionally, the pressure-dependent electrical-resistivity isotherms show a step-like behavior. Thus, it is concluded that discontinuous change of the ground state might occur at 3 GPa. The electrical resistivity of EuCu2Ge2 at high pressure is characterized by a negative logarithmic T-dependence in the pressure range 5 GPa &amp;lt; p &amp;lt; 7 GPa for T &amp;gt; T_N and by a broad peak in the pressure dependent residual resistivity, whose maximum is located at 7.3 GPa. The first behavior resembles the incoherent scattering process typical for an exchange coupling mechanism between the localized electrons and the ligand. This and the peak effect in the local 4f susceptibility observed in NMR measurements are consistent with such a coupling mechanism. Thus, it would be for the first time that a dense Eu-based compound like EuCu2Ge2 show such a behavior. Combining the results of the experiment performed at high pressures on EuCu2Ge2 with the studies performed in the EuCu2(Ge1-xSix)2 series, a crossover from an antiferromagnetically ordered state into a Fermi-liquid state for pressures higher than 7.3 GPa may be inferred from the analysis. Therefore, it may be possible that the sudden depopulation of 4f-level occur mediated by quantum fluctuation of the charge due to a strong Coulomb repulsion between the localized-electrons and the ligand. This phenomenon would explain the broad peak in the residual resistivity. To our knowledge, this would be the first Eu-based compound, isostructural to ThCr2Si2, that show such a transition as function of pressure at very low temperatures.

Das Auftreten von Supraleitung in Systemen mit schweren Fermionen, erstmals entdeckt in CeCu_2Si_2, wird mit der Nähe zu einem quantenkritischen Punkt in Verbindung gebracht. Daraus ergibt sich ein komplexes Zusammenspiel von Magnetismus und Supraleitung, das in der vorliegenden Arbeit durch Messungen der spezifischen Wärme, der Wechselfeldsuszeptibilität und durch inelastische Neutronenstreuexperimente an verschiedenen Einkristallen von CeCu_2(Si_{1-x}Ge_x)_2 untersucht wird. Der Schwerpunkt liegt auf der genauen Charakterisierung des magnetischen Anregungsspektrums von CeCu_2Si_2 des S-Typs. Die Ergebnisse der Neutronenstreumessungen implizieren stark, dass die Kopplung der supraleitenden Cooper-Paare durch überdämpfte Spinfluktuationen vermittelt wird, die in der Umgebung eines Quantenphasenübergangs gehäuft auftreten. Unter Substitution einiger Si- durch Ge-Atome in CeCu_2Si_2 stabilisiert sich die magnetische Ordnung, und die Supraleitung wird zunehmend unterdrückt. Neutronenstreumessungen ergeben, dass dies bei 2 % Ge-Substitution dazu führt, dass sich Magnetismus und Supraleitung gegenseitig verdrängen, während sie bei 10 % Ge-Substitution mikroskopisch koexistieren. - (Die Dissertation ist veröffentlicht im Logos Verlag Berlin GmbH, Berlin, Deutschland, http://www.logos-verlag.de, ISBN: 978-3-8325-2456-2) / The occurrence of superconductivity in systems with heavy fermions, discovered for the first time in CeCu_2Si_2, is often linked to the vicinity of a quantum critical point. This results in a complex interplay of magnetism and superconductivity, which is studied by means of specific heat and ac susceptibility measurements as well as neutron scattering experiments on different single crystals of CeCu_2(Si_{1-x}Ge_x)_2 in the present thesis. The focus is put on the detailed characterisation of the magnetic excitation spectrum in S-type CeCu_2Si_2. Neutron scattering results strongly imply that the coupling of superconducting Cooper pairs is mediated by overdamped spin fluctuations, which accumulate in the vicinity of a quantum phase transition. By substituting Si by Ge atoms in CeCu_2Si_2 magnetic order is stabilised and superconductivity successively suppressed. Neutron scattering experiments demonstrate that 2 % Ge substitution leads to magnetic order being displaced by superconductivity on decreasing temperature, whereas both coexist microscopically in the case of 10 % Ge substitution.

Afin d'étudier les processus collisionnels qui se produisent lors de la formation de condensats de Bose-Einstein moléculaires, nous avons entrepris, à l'aide d'une méthode quantique indépendante du temps basée sur les coordonnées hypersphériques, l'étude de la dynamique entre atomes et diatomiques à ultra-basse énergie. Nous présentons des résultats théoriques pour trois systèmes d'alcalins, chacun formé d'atomes de lithium, de sodium ou de potassium, et pour un système d'alcalino-terreux formé d'atomes de calcium. Nous avons également étudié la dynamique lorsque la longueur de diffusion atome-atome devient grande et positive. Les résultats mettent en évidence la suppression des processus inélastiques pour un système composé d'atomes fermioniques ainsi qu'une relation de proportionnalité entre la longueur de diffusion atome-diatome et la longueur de diffusion atome-atome.

Sont décrits dans cette HDR, les travaux scientifiques que j'ai réalisés depuis ma thèse, soutenue en 1994. La première partie de ces travaux fut consacrée à la construction et au développement de détecteurs au sein de l'expérience BaBar. La seconde partie, plus longuement développée ici, fut l'étude des processus di-leptoniques e+e- ->l+l- au sein de l'expérience ALEPH à LEP2. Dans l'expérience BaBar, j'ai tout d'abord contribué à l'étude de faisabilité d'un compteur Cerenkov à seuil dédié à l'identification des particules chargées. J'ai ensuite eu la responsabilité de la construction d'une chambre à fils de contrôle du gain installée dans le système de gaz de la chambre à dérive de BaBar. Ces activités incluaient un travail de conception et de simulation de détecteurs ainsi qu'un travail d'analyse de données de tests. J'ai ensuite participé à l'analyse des données de LEP2 par la mesure des sections efficaces et des asymétries avant-arrière des processus di-leptoniques. J'ai effectué l'interprétation de ces mesures dans le cadre de différents scénarios de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard, tels que les interactions de contact à quatre fermions, les dimensions supplémentaires ou la production de sneutrinos avec violation de R-parité. J'ai de plus participé à la combinaison des résultats di-leptoniques des quatre expériences LEP. Ces années passées entre construction de détecteurs et analyse de données dans le domaine de la physique électrofaible m'incitent à rejoindre aujourd'hui la thématique des neutrinos. Le projet de recherche que je présente est centré sur cette thématique, notamment sur mon implication future dans le projet Laguna-LBNO. Enfin, je décris aussi dans ce mémoire mes différentes activités de diffusion scientifique, notamment auprès du public scolaire, car, en plus de mon travail de recherche et d'enseignement, c'est un aspect important de mon activité de ces dix dernières années.

Les composés à fermions lourds, qui sont à base de terres rares comme le cérium et l'ytterbium ou d'actinides comme l'uranium, sont connus pour leurs propriétés extraordinaires à basse température. Leur physique est gouvernée par l'hybridation des électrons f avec des électrons de conduction, ce qui mène à la formation de quasi-particules avec de très grandes masses effectives. URu2Si2 occupe une place particulière dans la famille des fermions lourds. Une transition de phase du second ordre à la température T0 = 17.5 K a été observée par de nombreuses techniques expérimentales. Malgré des propositions théoriques multiples, aucun consensus n'existe concernant le paramètre d'ordre de la phase - dite à ordre caché - qui se développe sous T0. Lorsqu'on le soumet à des champs magnétiques intenses, URu2Si2 a par ailleurs un comportement unique : une cascade de trois transitions du premier ordre entre 35 et 39 T mène le système de son état paramagnétique à un état polarisé paramagnétique à fort champ. Ce travail a consisté en l'investigation systématique des propriétés magnétiques et électroniques d'échantillons monocristallins de très haute qualité d' URu2Si2 dans des champs magnétiques intenses allant jusqu'à 80 T, et des températures descendant jusqu'à 100 mK. Des expériences d'aimantation et de magnétorésistivité ont été faites en champ magnétique pulsé non destructif au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Toulouse (LNCMI-T). Le diagramme de phase champ magnétique-température de URu2Si2 a été étudié la première fois sur les gammes étendues de champs magnétiques H||c allant jusqu'à 60 T et de températures allant jusqu'à 80 K. Il indique que la domaine critique [35 T-39 T] est initié par la destabilisation d'un " crossover ", dont la température caractéristique atteint 40-50 K à champ nul. Il est démontré que ce crossover, qui résulte probablement des corrélations inter-site, est aussi un précurseur de la phase à ordre caché. Une étude de la magnétorésistivité pour différentes orientations du champ magnétique dans les plans (a,a) and (a,c) a permis d'établir la dépendance en angle du diagramme de phase. Des mesures de l'aimantation du composé dopé en rhodium U(Ru0.96Rh0.04)2Si2 révèlent un diagramme de phase " simplifié ", où la phase à ordre caché a disparu et le domaine critique a été remplace par une phase intermédiaire entre 26 et 37 T. La magnetoresistivité à très basse température se révèle être fortement dépendente de la qualité des échantillons et est la signature des propriétés orbitales d'URu2Si2. Une dépendance exceptionnellement intense de la magnétorésistivité en fonction de la température confirme que la surface de Fermi est reconstruite à T0. Des anomalies dans la magnetoresistivité à fort champ magnétique H||c suggèrent que la surface de Fermi est modifiée à l'intérieur de la phase à ordre caché. Des oscillations quantiques - effet Shubnikov-de Haas - sont observées dans la magnétorésistivité à très basse température pour une multitude d'orientations des échantillons dans le champ magnétique. Elles confirment qu'un champ magnétique H||c induit des reconstructions de la surface de Fermi dans la phase à ordre caché. Dans un champ magnétique H||a, des oscillations quantiques sont observées pour la première fois jusqu'à 80 T. Leur analyse a révélé une nouvelle branche de fréquence  avec une faible masse effective. La dépendance en angle des fréquences Shubnikov-de Haas a été étudiée dans un champ magnétique allant jusqu'à 60 T, pour des champs appliqués dans les plans (a,a) et (a,c). Ce travail expérimental indique que le couplage entre le magnétisme des électrons f et les propriétés de la surface de Fermi joue un rôle important pour la physique du système à ordre caché URu2Si2.

Les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif d'apporter à la physique mésoscopique un éclairage concernant la compréhension des propriétés de transport électroniques d'une classe de matériaux récemment découverts : les isolants topologiques.La première partie de ce manuscrit est une introduction aux isolants topologiques, mettant en partie l'accent sur leurs spécificités par rapport aux isolants "triviaux" : des états de bords hélicaux (dans le cas de l'effet Hall quantique de spin en 2 dimensions) ou de surface relativistes (pour les isolants topologiques tridimensionnels) robustes vis-à-vis du désordre.La deuxième partie propose une sonde de l'hélicité des états de bords de l'effet Hall quantique de spin en étudiant les propriétés remarquables de l'injection de paires de Cooper dans cette phase topologique.La troisième partie étudie la diffusion des états de surface des isolants topologiques tridimensionnels dans le régime cohérent de phase. L'étude de la diffusion, de la correction quantique à la conductance (antilocalisation faible) et de l'amplitude des fluctuations universelles de conductance de fermions de Dirac sans masse est présentée. Cette étude est aussi menée dans la cas d'états de surface dont la surface de Fermi présente la déformation hexagonale observée expérimentalement.

Die Elektronenspinresonanz (ESR) untersucht die im quasistatischen Magnetfeld resonante Absorption eines an die Probe angelegten Mikrowellenmagnetfeldes. Es wurde das System Yb1-w A1-w (Rh1-x Cox)2 (Si1-y Gey) 2 mit A=La, bzw. Lu, sowie das System YbIr2Si2 mittels ESR untersucht. Unter Kondo-Wechselwirkung vieler Leitungselektronen mit einem lokalen 4f-Moment des Kondo-Ions bildet sich ein nicht-magnetisches Grundzustands-Singlett, was zur Abschirmung des magnetischen Moments führt. YbRh2Si2 ist das erste Schwere-Fermionen-System mit Kondo-Ionen, das ohne Dotierung zusätzlicher ESR-Sonden ein ESR-Signal unterhalb der Kondo-Temperatur aufweist. Es zeigt sich, dass das ESR-Signal nicht mittels gängiger ESR-Theorien konsistent beschrieben werden kann. Die Messungen, die im Rahmen dieser Arbeit angestellt wurden, flossen in die Entwicklung von weiterführenden Theorien (z.B. [1], [2]) ein. Die Temperaturabhängigkeit des ESR-g-Faktors konnte damit erfolgreich beschrieben werden, womit erstmals der Nachweis einer Kondo-Wechselwirkung in Kondo-Gitter-Systemen mittels ESR gelang. Ferner konnte die Bedeutung von ferromagnetischen Fluktuationen für eine kleine, beobachtbare Linienbreite beschrieben werden. Der ESR-Methode ist somit die Kondo-Spindynamik direkt zugänglich. Dieser Zugang ist neu und einzigartig, denn andere Methoden (NMR, inelastische Neutronenstreuung) charakterisieren die Kondo-Spindynamik auf indirekte Weise. [1] P. Wölfle und E. Abrahams. Phenomenology of esr in heavy-fermion systems: Fermi-liquid und nicht-fermi-liquid regimes Phys. Rev. B, 80(23): 235112, 2009. [2] B. I. Kochelaev, S. I. Belov, A. M. Skvortsova, A. S. Kutusov, J. Sichelschmidt, J. Wykhoff, C. Geibel und F. Steglich. Why could electron spin resonance be observed in a heavy fermion kondo lattice? Eur. Phys. J. B, 72(4): 485, 2009.

Neste trabalho realizamos um estudo de um buraco em um antiferromagneto, como parte de uma revisão de diferentes técnicas de abordagem das fases de “stripes” nos cupratos supercondutores. Estudamos a transição do formalismo de “strings” para um buraco no modelo t - Jz bidimensional, onde existe uma solução analítica, para a solução de pólaron de spin no modelo t - J isotrópico através da aproximação de Born auto-consistente. A forma funcional dos picos de quase-partícula, do peso espectral e do “gap” espectral foi investigada numericamente em detalhe, em função da anisotropia magnética. O movimento de um pólaron de spin na presença de uma parede de domínio antiferromagnética (ADW) em antifase, como uma realização da configuração de “stripes” nos planos CuO dos cupratos de baixa dopagem, também foi analisada.