Ce mémoire présente nos travaux sur les simulations numériques des mécanismes de dissipation mécanique interne (DMI) dans le a-Si. Ce travail s’inscrit dans le contexte des détecteurs d’ondes gravitationnelles, où les excitations à basses énergies dans les matériaux des miroirs constituent la principale source de bruit. On introduit le cadre théorique dans lequel le mémoire s’inscrit, soit le théorème de fluctuation-dissipation et les théories de l’état de transition et systèmes à deux niveaux, et on fait un court résumé de l’état des connaissances expérimentales sur le sujet. On présente ensuite les méthodes numériques : les méthodes d’exploration de l’énergie potentielle, les potentiels interatomiques et les méthodes de préparation des configurations atomiques, de même qu’une revue des travaux théoriques sur la DMI. Les résultats principaux du projet de maîtrise, incluant l’analyse des systèmes à deux niveaux dans le a-Si et le calcul de la DMI, sont présentés au troisième chapitre, sous la forme d’un article de revue. On termine par détailler nos travaux sur la DMI en employant la spectroscopie mécanique. / This master’s thesis presents our work on numerical simulations of internal mechanical dissipation (IMD) mechanisms in a-Si. This work is done in the context of gravitational wave detectors, where low-energy excitations in the materials of the mirrors are the main source of noise. We introduce the theoretical framework of the project, starting with the fluctuationdissipation theorem, and following with the transition state theory and the two-level systems (TLS) theory. A short review of experimental work on the subject is also presented. This is followed by a presentation of the numerical methods: potential energy landscape exploration techniques, interatomic potentials and atomic configurations preparation methods, as well as a review of numerical studies of the IMD. The main results of the thesis, an analysis of the two-level systems in a-Si and calculations of the IMD, are presented in chapter 3, in the form of a journal article. We finish by detailing our work on IMD using mechanical spectroscopy.

Cette thèse est consacrée à l'étude théorique de la transition vers l'état solide amorphe. Les solides amorphes peuvent être séparés en deux catégories : les verres structuraux dont la transition vers l'état amorphe, appellée transition vitreuse, s'effectue en présence de fluctuations thermiques, et les matériaux dont la transition vers l'état solide amorphe, alors dénommée transition de blocage, s'effectue en l'absence de fluctuations thermiques. Nous étudions un système modèle de sphères sans friction interagissant par un potentiel faiblement répulsif et de portée finie : les sphères harmoniques. Ce système, étudié à température finie sert de modèle de verre et présente une transition vers un état amorphe. Etudié à température nulle, il permet aussi d'étudier la transition de blocage. Ces deux phènomènes, a priori distincts, sont parfois supposés reliés, la transition de blocage étant imaginée comme l'équivalent à température nulle de la transition vitreuse. Deux approches théoriques coexistent dans l'étude de la transition vitreuse : la théorie de couplage de modes, qui tente de décrire le ralentissement de la dynamique des verres structuraux à l'approche de leur transition vitreuse, et la théorie de la transition de premier ordre aléatoire, qui se focalise sur la description aux temps longs de ces systèmes, en faisant des hypothèses sur la distribution de leurs états métastables. Pour certains modèles de systèmes désordonnés en champ moyen, ces deux approches peuvent être conciliées de façon exacte, mais la situation en dimension finie, sur laquelle cette thèse se concentre, laisse plusieurs questions en suspens. Nous présentons en premier lieu une approche théorique de la dynamique des verres qui permet de clarifier certaines approximations impliquées dans la théorie de couplage de modes, et qui fournit un point de départ solide pour aller au-delà de cette théorie. En second lieu nous nous intéressons aux liens qui peuvent exister entre les deux approches décrites ci-dessus, et montrons qu'une partie au moins des résultats de la théorie de couplage de modes est contenue dans l'approche statique inhérente à la théorie de transition de premier ordre aléatoire, tout en fournissant un point de départ clair pour améliorer les résultats de cette dernière. Finalement, nous étudions le modèle des sphères harmoniques à très basse température et développons une théorie microscopique de sa transition de blocage qui capture une grande partie des observations expérimentales et numériques. Nous montrons que dans le cadre de nos approximations, la transition vitreuse et la transition de blocage sont deux phènomènes bien distincts.

Cette thèse porte sur l'étude de modèles de polymère en milieu aléatoire: on se concentre sur le cas d'un polymère dirigé en dimension d+1 qui interagit avec un défaut unidimensionnel. Les interactions sont possiblement non-homogènes, et sont représentées par des variables aléatoires. Une question importante est celle de l'influence du désordre sur le phénomène de localisation: on veut déterminer si la présence d'inhomogénéités modifie les propriétés critiques du système, et notamment les caractéristiques de la transition de phase (auquel cas le désodre est dit pertinent). En particulier, nous prouvons que dans le cas où le défaut est une marche aléatoire, le désordre est pertinent en dimension d≥3. Ensuite, nous étudions le modèle d'accrochage sur une ligne de défauts possédant des inhomogénéités corrélées spatialement. Il existe un critère non rigoureux (dû à Weinrib et Halperin), que l'on applique à notre modèle, et qui prédit si le désordre est pertinent ou non en fonction de l'exposant critique du système homogène, noté νpur, et de l'exposant de décroissance des corrélations. Si le désordre est gaussien et les corrélations sommables, nous montrons la validité du critère de Weinrib-Halperin: nous le prouvons dans la version hiérarchique du modèle, et aussi, de manière partielle, dans le cadre (standard) non-hiérarchique. Nous avons de plus obtenu un résultat surprenant: lorsque les corrélations sont suffisamment fortes, et en particulier si elles sont non-sommables (dans le cadre gaussien), il apparaît un régime où le désordre devient toujours pertinent, l'ordre de la transition de phase étant toujours plus grand que νpur. La prédiction de Weinrib-Halperin ne s'applique alors pas à notre modèle. / This thesis studies models of polymers in random environment: we focus on the case of a directed polymer in dimension d+1 that interacts with a one-dimensional defect. The interactions are possibly inhomogeneous, and are represented by random variables. We deal with the question of the influence of disorder on the localization phenomenon: we want to determine if the presence of inhomogeneities modifies the critical properties of the system, and especially the characteristics of the phase transition (in that case disorder is said to be pertinent). In particular, we prove that if the defect is a random walk, disorder is relevant in dimension d≥3. We then study the pinning model in random correlated environment. There is a non-rigourous criterion (due to Weinrib and Halperin), that we can apply to our model, and that predicts disorder relevance/irrelevance, according to the value of the critical exponent of the homogeneous system, denoted νpur, and of the correlation decay exponent. When disorder is Gaussian and correlations are summable, we show that the Weinrib-Halperin criterion is valid: we prove this in the hierarchical version of the model, and also, partially, in the non-hierachical (standard) framework. Moreover, we obtained a surprising result: when correlations are sufficiently strong, and in particular when they are non-summable (in the gaussian framework), a new regime in which disorder is always relevant appears, the order of the phase transition being always larger than νpur. The Weinrib-Halperin prediction therefore does not apply to our model.

La physique de la matière condensée, et notamment les systèmes fortement corrélés, amènent à des problèmes parmi les plus stimulants et difficiles de la physique moderne. Dans ces systèmes, les interactions à plusieurs corps et les corrélations entre les particules quantiques ne peuvent être négligées, sinon, les modèles échoueraient simplement à capturer les mécanismes physiques en jeu et les phénomènes qui en découlent. En particulier, le travail présenté dans ce manuscrit traite du magnétisme quantique et aborde plusieurs questions distinctes à l'aide d'approches computationnelles et méthodes numériques à l'état de l'art. Les effets conjoints du désordre (i.e. impuretés) et des interactions sont étudiés concernant un matériau magnétique spécifique : plutôt qu'une phase de la matière dite localisée, attendue à fort champ magnétique, une phase ordonnée induite par le désordre lui-même est mise en lumière, avec une réapparition inattendue de la cohérence quantique dans ledit composé. Par ailleurs, la réponse dynamique d'aimants quantiques à une perturbation externe, comme celle mesurée dans des expériences de résonance magnétique nucléaire ou de diffusion inélastique de neutrons est étudiée. / Condensed matter physics, and especially strongly correlated systems provide some of the most challenging problems of modern physics. In these systems, the many-body interactions and correlations between quantum particles cannot be neglected; otherwise, the models would simply fail to capture the relevant physics at play and phenomena ensuing. In particular, the work presented in this manuscript deals with quantum magnetism and addresses several distinct questions through computational approaches and state-of-the-art numerical methods. The interplay between disorder (i.e. impurities) and interactions is studied regarding a specific magnetic compound, where instead of the expected many-body localized phase at high magnetic fields, a novel disorder-induced ordered state of matter is found, with a resurgence of quantum coherence. Furthermore, the dynamical response of quantum magnets to an external perturbation, such as it is accessed and measured in nuclear magnetic resonance and inelastic neutron scattering experiments is investigated.

L'étude de l'influence du désordre sur les propriétés critiques des systèmes modèles et des impuretés sur les propriétés magnétiques d'échantillons nanostructurés constitue la ligne directrice de ce travail. L'utilisation des techniques de simulation Monte Carlo en constitue l'outil. Nous nous intéressons à des systèmes de spins en interaction, à 2 ou 3 dimensions, décrits par des modèles présentant des transitions de phase du premier ou du second ordre et nous cherchons à comprendre l'influence de différentes perturbations (apériodiques, désordonnées) sur leurs propriétés critiques. Dans le cas des systèmes tridimensionnels, nous montrons en particulier, grâce à des simulations numériques intensives utilisant les algorithmes d'amas ou multicanoniques, que la détermination des exposants critiques associés à une nouvelle classe d'universalité désordonnée nécessite qu'une attention tout-à-fait particulière soit apportée aux simulations afin de pouvoir distinguer les exposants effectifs des exposants asymptotiques. Nous présentons ensuite la modélisation des propriétés magnétiques d'échantillons nanostructurés (nanoparticules, multicouches amorphes) pour lesquels l'utilisation des techniques de simulation numérique permet de conforter certains modèles théoriques comme les modèles de Néel-Brown et de Stoner-Wohlfarth pour le retournement de l'aimantation ou le modèle d'anisotropie structurale locale pour expliquer l'existence d'une anisotropie magnétique macroscopique dans les multicouches amorphes Fe/Dy. Ainsi, nous avons mis en évidence le fait que le retournement de l'aimantation par rotation uniforme d'une structure ferrimagnétique peut devenir non uniforme pour une structure spérimagnétique avec une augmentation de la coercivité.

Ce travail de thèse est surtout consacré à l'étude du ferromagnétisme dans les systèmes désordonnés, en particulier les semiconducteurs magnétiques dilués (DMS). Le formalisme utilisé, basé sur les fonctions de Green à température finie, est très général pour l'étude du magnétisme et du transport dans ces systèmes. Dans un premier temps, il est montré que l'approche champ moyen - RKKY (MF-RKKY) souvent utilisée n'est pas appropriée pour décrire les propriétés magnétiques des systèmes dilués. Un meilleur traitement du Hamiltonien de Heisenberg RKKY dans le cadre de la théorie RPA locale auto cohérente (SC-LRPA) a permis de montrer en particulier que l'approche MF-RKKY surestime largement les températures critiques ainsi que l'étendue de la zone de stabilité du ferromagnétisme. Dans un second temps on étudie le modèle non perturbatif « V-Jpd » par diagonalisation exacte pour chaque configuration de désordre et on calcule explicitement les échanges magnétiques. En dehors de la limite perturbative, ces échanges n'ont pas le caractère RKKY. Ensuite, le Hamiltonien de Heisenberg effectif est traité dans le cadre de la théorie SC-LRPA. Cette approche en 2 étapes montre en particulier (i) l'importance du désordre et des fluctuations thermiques et transverses et (ii) que le potentiel coulombien V joue un rôle crucial pour comprendre l'origine du ferromagnétisme dans les DMS. Ce modèle minimal tient compte de la percolation et des diffusions multiples des porteurs itinérants sur les impuretés et permet d'unifier la description des DMS. Enfin, une étude numérique des effets de taille finie et de l'importance de l'échantillonnage statistique a permis de montrer les insuffisances sévères du traitement Monté Carlo « complet » du modèle dilué « V-Jpd ». Ce modèle microscopique permet de combler le fossé entre les approches modèles trop simplistes et celles basées sur les calculs ab initio.

Dans la première partie, nous avons étudié l'effet du bruit sur la vitesse d'un front décrit par une équation de type Fisher-Kolmogorov. Ces équations interviennent souvent comme la limite d'un modèle aléatoire faisant intervenir N particules quand N devient grand. Elles ont beaucoup de solutions, mais c'est la vitesse marginalement stable v^* qui est sélectionnée pour une condition initiale localisée. Nous avons montré que si l'on prend en compte l'aspect discret du modèle microscopique en ajoutant un cut-off d'ordre 1/N dans la queue du front, alors, quelles que soient les conditions initiales, la vitesse de propagation v_N est proche de v^* et la différence v^* - v_N est d'ordre (log N)^(-2). Ces résultats peuvent s'appliquer au modèle aléatoire: grâce à des simulations faisant intervenir jusqu'à 10^14 particules, nous avons observé une correction de la vitesse compatible avec celle obtenue dans le modèle avec \textit{cut-off}. La méthode que nous avons employée permet également de retrouver les résultats de Bramson sur l'influence des conditions initiales sur la vitesse d'un front. La seconde partie est consacrée aux polymères dirigés dans un milieu aléatoire de largeur finie. La méthode des répliques permet de ramener le calcul des fluctuations de l'énergie libre d'un tel polymère à un problème de mécanique quantique avec n particules en interaction. Ce modèle peut être résolu grâce à l'Ansatz de Bethe, mais il faut extrapoler les solutions à des n non-entiers pour faire le lien avec l'énergie libre d'un polymère. Nous avons présenté une méthode qui nous a permis de calculer exactement les premiers cumulants de cette énergie libre. De plus, pour une dimension transversale périodique, on peut calculer tous ces cumulants dans la limite où la largeur du système devient grande et déterminer ainsi la distribution de l'énergie libre. Cette distribution est la même que celle obtenue dans le modèle ASEP et semble donc être une propriété universelle de l'équation KPZ.

Cette thèse présente de manière synthétique mes travaux de recherche dont les deux thématiques principales sont le comportement critique du modèle de Potts en présence de désordre et le vieillissement de modèles de spin lors d'une trempe.

Les théories des champs conformes logarithmiques (LCFTs) sont cruciales pour décrire le comportement critique de systèmes physiques variés: les transitions de phase dans les systèmes électroniques désordonnés sans interaction (comme par exemple la transition entre plateaux dans l'effet Hall quantique entier), les points critiques désordonnés dans les systèmes statistiques classiques (comme le modèle d'Ising avec liens aléatoires), ou encore les modèles géométriques critiques (comme la percolation ou les marches aléatoires auto-évitantes). Les LCFTs décrivent des théories non unitaires, qui ne seraient probablement pas pertinentes dans le contexte de la physique des particules, mais qui apparaissent naturellement en matière condensée et en physique statistique. Sans cette condition d'unitarité, toute la puissance algébrique qui a fait le succès des théories conformes est fortement compromise à cause de ''l'indécomposabilité'' de la théorie des représentations sous-jacente. Ceci a pour conséquence de modifier les fonctions de corrélation algébriques par des corrections logarithmiques, et réduit sévèrement l'espoir d'une classification générale. Le but de cette thèse est d'analyser ces théories logarithmiques en étudiant leur régularisation sur réseau, l'idée principale étant que la plupart des difficultés algébriques causées par l'indécomposabilité sont déjà présentes dans des systèmes de taille finie. Notre approche consiste à considérer des modèles statistiques critiques avec matrice de transfert non diagonalisable (ou des chaînes de spins critiques avec Hamiltonien non diagonalisable) et d'analyser leur limite thermodynamique à l'aide de différentes méthodes numériques, algébriques et analytiques. On explique en particulier comment mesurer numériquement les paramètres universels qui caractérisent les représentations indécomposables qui apparaissent à la limite continue. L'analyse détaillée d'une vaste classe de modèles sur réseau nous permet également de conjecturer une classification de toutes les LCFTs chirales pertinentes physiquement, pour lesquelles la seule symétrie est donnée par l'algèbre de Virasoro. Cette approche est aussi partiellement étendue aux théories non chirales, avec une attention particulière portée au problème bien connu de la formulation d'une théorie des champs cohérente qui décrirait la percolation en deux dimensions. On montre que les modèles sur réseaux périodiques ou avec bords peuvent être reliés algébriquement seulement dans le cas des modèles minimaux, impliquant des conséquences intéressantes pour les théories des champs sous-jacentes. Un certain nombre d'applications aux systèmes désordonnés et aux modèles géométriques sont également abordées, avec en particulier une discussion détaillée des observables avec comportement logarithmique au point critique dans le modèle de Potts en dimension arbitraire.

Le verre de spin est une phase de la matière dans laquelle le désordre magnétique est gelé. Étant considéré comme un système modèle des verres en général, il a fait l'objet de nombreux travaux théoriques et expérimentaux. Les recherches ont convergé vers deux principales descriptions de l'état fondamental du système diamétralement opposées. D'une part, la solution " champ-moyen " nécessite une brisure de symétrie non triviale, et l'état fondamental est composé de multiples états organisés en une structure hiérarchique. D'autre part, une approche de " gouttelettes ", fondée sur la dynamique hors-équilibre d'un état fondamental unique. La validation expérimentale d'une de ces deux théories nécessite une observation détaillée de l'échantillon au niveau microscopique. La physique mésoscopique, basée sur les effets d'interférences électroniques, propose un outil unique pour accéder à cette configuration microscopique des impuretés: les fluctuations universelles de conductance. En effet, ces fluctuations représentent une empreinte unique du désordre dans l'échantillon. Ce travail présente la mise en œuvre de mesures de fluctuations de conductance universelles dans les verres de spin. Les effets d'interférences électroniques étant sensibles aux processus de décohérence du verre de spin, ils donnent accès expérimentalement à de nouvelles quantités concernant les excitations du système. La mesure des corrélations entre les empreintes du désordre permet quant à elle d'explorer sous un angle nouveau l'ordre non conventionnel de cet état vitreux.