Au cours de cette thèse, nous avons étudié le comportement critique de chaînes de spins quantiques en présence de couplages désordonnés ou répartis de manière apériodique. Il est bien établi que le comportement critique des chaînes de spins quantiques d’Ising et de Potts est gouverné par le même point fixe de désordre infini. Nous avons implémenté́ une version numérique de la technique de renormalisation de désordre infini (SDRG) afin de tester cette prédiction. Dans un second temps, nous avons étudié la chaîne quantique d’Ashkin-Teller désordonnée par renormalisation de la matrice densité́ (DMRG). Nous confirmons le diagramme de phase précédemment proposé en déterminant la position des pics du temps d’autocorrélation intégré des corrélations spin-spin et polarisation-polarisation ainsi que ceux des fluctuations de l’aimantation et de la polarisation. Enfin, l’existence d’une double phase de Griffiths est confirmée par une étude détaillée de la décroissance des fonctions d’autocorrélation en dehors des lignes critiques. Comme attendu, l’exposant dynamique diverge à l’approche de ces lignes. Dans le cas apériodique, nous avons étudié les chaînes quantiques d’Ising et de Potts. En utilisant la méthode SDRG, nous avons confirmé les résultats connus pour la chaîne d’Ising et proposé des estimations de la dimension d’échelle magnétique. Dans le cas du modèle de Potts à q états, nous avons estimé l’exposant magnétique et observé qu’il était indépendant du nombre d’états q pour toutes les séquences dont l’exposant de divagation est nul. Toutefois, nous montrons que l’exposant dynamique est fini et augmente avec le nombre d’états q. En revanche, pour la séquence de Rudin-Shapiro, les résultats sont compatibles avec un point fixe de désordre infini et donc un exposant dynamique infini. / In the present thesis, the critical and off-critical behaviors of quantum spin chains in presence of a random or an aperiodic perturbation of the couplings is studied. The critical behavior of the Ising and Potts random quantum chains is known to be governed by the same Infinite-Disorder Fixed Point. We have implemented a numerical version of the Strong-Disorder Renormalization Group (SDRG) to test this prediction. We then studied the quantum random Ashkin-Teller chain by Density Matrix Renormalization Group. The phase diagram, previously obtained by SDRG, is confirmed by estimating the location of the peaks of the integrated autocorrelation times of both the spin-spin and polarization-polarization autocorrelation functions and of the disorder fluctuations of magnetization and polarization. Finally, the existence of a double-Griffiths phase is shown by a detailed study of the decay of the off-critical autocorrelation functions. As expected, a divergence of the dynamical exponent is observed along the two transition lines. In the aperiodic case, we studied both the Ising and Potts quantum chains. Using numerical SDRG, we confirmed the known analytical results for the Ising chains and proposed a new estimate of the magnetic scaling dimension.For the quantum q-state Potts chain, we estimated the magnetic scaling dimension for various aperiodic sequences and showed that it is independent of q for all sequences with a vanishing wandering exponent. However, we observed that the dynamical exponent is finite and increases with the number of states q. In contrast, for the Rudin-Shapiro sequence, the results are compatible with an Infinite-Disorder Fixed Point with a diverging dynamical exponent, equipe de renormalization

Cette thèse porte sur différents aspects géométriques et morphologiques concernant des problèmes de mouillage et d'empilement de sphères. Nous proposons tout d'abord une nouvelle méthode de simulation pour étudier le mouillage et le glissement d'un liquide sur une surface nanostructurée: un modèle de champ de phase en lien avec la théorie de la fonctionnelle de la densité dynamique. Nous étudions grâce à cette méthode la possibilité de transformer une surface quelconque en surface omniphobe (c'est à dire qui repousse tous les liquides). Nous montrons que contrairement à la théorie classique de Cassie-Baxter-Wenzel, il est possible d'inverser la mouillabilité d'une surface en la texturant, et nous montrons qu'une surface monovaluée, i.e. sans constrictions, peut produire un comportement omniphobe c'est à dire repousser tous les liquides grâce à un effet de pointe. La géométrie a également un effet considérable dans les milieux vitreux ou bloqués. Les empilements aléatoires de sphères conduisent par exemple à des état bloqués ("jamming") et nous montrons que la structure locale de ces systèmes est universelle, c'est à dire indépendante de la méthode de préparation. Pour cela, nous introduisons des paramètres d'ordre - les tenseurs de Minkowski - qui suppriment les problèmes de robustesse qu'ont les paramètres d'ordre utilisés classiquement. Ces nouveaux paramètres d'ordre conduisent à une vision unifiée, basée sur des principes géométriques. Enfin, nous montrons grâce aux tenseurs de Minkowski que les empilements de sphères se mettent à cristalliser au delà du point d'empilement aléatoire le plus dense ("random close packing") / This thesis is devoted to several aspects of geometry and morphology in wetting problems and hard sphere packings. First, we propose a new method to simulate wetting and slip on nanostructured substrates: a phase field model associated with a dynamical density theory approach. We showed omniphobicity, meaning repellency, no matter the chemical properties of the liquid on monovalued surfaces, i.e. surfaces without overhangs, which is in contradiction with the macroscopic Cassie-Baxter-Wenzel theory, can produce so-called We checked systematically the impact of the surface parameters on omniphobic repellency, and we show that the key ingredient are line tensions, which emerge from needle shaped surface structures. Geometrical effects have also an important influence on glassy or jammed systems, for example amorphous hard sphere systems in infinite pressure limit. Such hard sphere packings got stuck in a so-called jammed phase, and we shall demonstrate that the local structure in such systems is universal, i.e. independent of the protocol of the generation. For this, robust order parameters - so-called Minkowski tensors - are developed, which overcome robustness deficiencies of widely used order parameters. This leads to a unifying picture of local order parameters, based on geometrical principles. Furthermore, we find with the Minkowski tensor analysis crystallization in jammed sphere packs at the random closed packing point

Cette thèse porte sur le développement et l'application en physique statistique d'un nouveau paradigme pour les méthodes sans rejet de Monte-Carlo par chaînes de Markov irréversibles, grâce à la mise en œuvre du filtre factorisé de Metropolis et du concept de lifting. Les deux premiers chapitres présentent la méthode de Monte-Carlo et ses différentes applications à des problèmes de physique statistique. Une des principales limites de ces méthodes se rencontre dans le voisinage des transitions de phase, où des phénomènes de ralentissement dynamique entravent fortement la thermalisation des systèmes. Le troisième chapitre présente la nouvelle classe des algorithmes de Metropolis factorisés et irréversibles. Se fondant sur le concept de lifting des chaînes de Markov, le filtre factorisé de Metropolis permet de décomposer un potentiel multidimensionnel en plusieurs autres unidimensionnels. De là, il est possible de définir un algorithme sans rejet de Monte-Carlo par chaînes de Markov irréversibles. Le quatrième chapitre examine les performances de ce nouvel algorithme dans une grande variété de systèmes. Des accélérations du temps de thermalisation sont observées dans des systèmes bidimensionnels de particules molles, des systèmes bidimensionnels de spins XY ferromagnétiques et des systèmes tridimensionnels de verres de spins XY. Finalement, une réduction importante du ralentissement critique est exposée pour un système tridimensionnel de spins Heisenberg ferromagnétiques. / This thesis deals with the development and application in statistical physics of a general framework for irreversible and rejection-free Markov-chain Monte Carlo methods, through the implementation of the factorized Metropolis filter and the lifting concept. The first two chapters present the Markov-chain Monte Carlo method and its different implementations in statistical physics. One of the main limitations of Markov-chain Monte Carlo methods arises around phase transitions, where phenomena of dynamical slowing down greatly impede the thermalization of the system. The third chapter introduces the new class of irreversible factorized Metropolis algorithms. Building on the concept of lifting of Markov chains, the factorized Metropolis filter allows to decompose a multidimensional potential into several unidimensional ones. From there, it is possible to define a rejection-free and completely irreversible Markov-chain Monte Carlo algorithm. The fourth chapter reviews the performance of the irreversible factorized algorithm in a wide variety of systems. Clear accelerations of the thermalization time are observed in bidimensional soft-particle systems, bidimensional ferromagnetic XY spin systems and three-dimensional XY spin glasses. Finally, an important reduction of the critical slowing down is exhibited in three-dimensional ferromagnetic Heisenberg spin systems.

La dynamique des liquides, considérés comme des systèmes de particules classiques fortement couplées, reste un domaine où les descriptions théoriques sont limitées. Pour l’instant, il n’existe pas de théorie microscopique partant des premiers principes et recourant à des approximations contrôlées. Thermodynamiquement, les propriétés statiques d’équilibre sont bien comprises dans les liquides simples, à condition d’être loin du régime vitreux. Dans cette thèse, nous résolvons, en partant des équations microscopiques du mouvement, la dynamique des liquides et verres en exploitant la limite de dimension spatiale infinie, qui fournit une approximation de champ moyen bien définie. En parallèle, nous retrouvons leur thermodynamique à travers une analogie entre la dynamique et la statique. Cela donne un point de vue à la fois unificateur et cohérent du diagramme de phase de ces systèmes. Nous montrons que cette solution de champ moyen au problème de la transition vitreuse est un exemple du scénario de transition de premier ordre aléatoire (RFOT), comme conjecturé il y a maintenant trente ans, sur la base des solutions des modèles de verres de spin en champ moyen. Ces résultats nous permettent de montrer qu’une invariance d’échelle approchée du système, pertinente pour les expériences et les simulations en dimension finie, devient exacte dans cette limite. / The dynamics of liquids, regarded as strongly-interacting classical particle systems, remains a field where theoretical descriptions are limited. So far, there is no microscopic theory starting from first principles and using controlled approximations. At the thermodynamic level, static equilibrium properties are well understood in simple liquids only far from glassy regimes. Here we derive, from first principles, the dynamics of liquids and glasses using the limit of large spatial dimension, which provides a well-defined mean-field approximation with a clear small parameter. In parallel, we recover their thermodynamics through an analogy between dynamics and statics. This gives a unifying and consistent view of the phase diagram of these systems. We show that this mean-field solution to the structural glass problem is an example of the Random First-Order Transition scenario, as conjectured thirty years ago, based on the solution of mean-field spin glasses. These results allow to show that an approximate scale invariance of the system, relevant to finite-dimensional experiments and simulations, becomes exact in this limit.

Un matériau 3D, initialement supraconducteur, peut avoir différents états fondamentaux dépendamment de son degré de désordre : supraconducteur, métallique ou isolant. A dimension réduite (2D), la localisation d’Anderson interdit théoriquement tout état métallique. La modification du désordre induit alors une Transition directe Supraconducteur-Isolant (TSI). La présence de fortes interactions électroniques, non prises en compte dans les théories conventionnelles, pourrait cependant remettre en cause ce paradigme et laisser émerger des états métalliques 2D, complexifiant l’image généralement admise de la TSI. Ainsi, des travaux récents ont révélé la présence de deux phases métalliques distinctes dans les films minces de a-NbxSi1-x, s’intercalant entre les états supraconducteur et isolant.Durant cette thèse, nous avons étudié les propriétés de transport électronique à basse fréquence et à très basse température (T<1K) de films minces de NbxSi1-x amorphes afin de caractériser l’évolution de l’état fondamental en fonction du désordre. Celui-ci a été modifié dans nos films en jouant sur la température de recuit, l’épaisseur et la composition. Nous nous sommes alors attardés sur la destruction de ces états métalliques vers un état isolant. L’analyse des lois de conduction dans le régime isolant nous a permis de quantifier l’évolution de ses propriétés – notamment des énergies caractéristiques – en fonction du désordre. Nous avons alors pu conclure que la phase isolante pouvait être essentiellement décrite par un modèle fermionique. A moindre désordre, dans la phase métallique 2D adjacente à l’isolant, nous avons mis en évidence des signes précurseurs de l’état isolant qui évoluent continument jusqu’à et à travers la Transition Métal 2D-Isolant. Nous proposons une interprétation de l’ensemble de nos résultats impliquant deux canaux parallèles dont l’importance relative est déterminée par le désordre : l’un est fermionique, l’autre gouverné par des fluctuations supraconductrices qui persistent même lorsque la cohérence macroscopique a disparu. L’état métallique est alors dominé par ces dernières, alors que, dans l’isolant, la localisation des excitations fermioniques l’emporte.Une seconde partie de la thèse s’est concentrée sur le développement expérimental d’un dispositif de calibration large bande dédié à l’étude de films minces en réflectométrie haute fréquence (GHz) à basses températures (T<4K). Ce dispositif a pour but, lors d’une unique mise à froid, de mesurer successivement la réflexion de références connues ainsi que de l’échantillon. La calibration obtenue permet ainsi de s’affranchir de l’environnement micro-onde et d’obtenir la valeur absolue de l’impédance complexe de ces films. Les résultats obtenus sur des films minces supraconducteurs de Vanadium, comparés aux théories de la supraconductivité, permettent une première validation du dispositif et de son principe de fonctionnement en vue d’une utilisation sur des systèmes plus complexes, tels que les films minces proches de la TSI. / An initially superconducting 3D material can have different ground states, depending on its disorder : superconducting, metallic or insulating. At lower dimensionality, Anderson localization theoretically forbids any metallic state. A change in disorder then induces a direct Superconductor-to-Insulator Transition (SIT). The presence of strong Coulomb interactions, which are not taken into account in conventional theories, may disrupt this paradigm and enable the emergence of 2D metallic phases, thus complicating the generally admitted picture for the SIT. Indeed, recent work has revealed the existence of two distinct metallic phases in a-NbxSi1-x thin films, in between the superconducting and insulating states.During this work, we have studied the low frequency transport properties of amorphous NbxSi1-x films at low temperatures (T<1K), in order to characterize the evolution of their ground state with disorder. In our films, disorder has been tuned by varying the heat treatment temperature, the thickness or the composition. We have then focused on the destruction of these metallic states, giving rise to an insulating state. Through the analysis of conduction laws in the insulating regime, we have quantified the evolution of its properties – in particular its characteristic energies – as disorder is varied. We could then conclude that the insulating phase can essentially be accounted for by a fermionic model. At lower disorder level, in the 2D metallic phase neighboring the insulator, we have evidenced precursor signs of the insulating state which continuously evolve until and through the 2D Metal-to-Insulator Transition. We offer an interpretation of all our results implying the existence of two parallel channels which relative importance is determined by the sample disorder level : one is fermionic, the other governed by superconducting fluctuations which persist even when the macroscopic phase coherence is lost. The metallic state is then dominated by the latter, whereas, in the insulator, fermionic excitations prevail.In a second part, we report on the experimental development of a calibration device for the broadband reflectometry measurement of thin films at microwave frequencies (GHz) and low temperatures (T<4K). This apparatus aims at measuring, during a single cool down, the reflection of known references as well as of the sample. The obtained calibration enables to obtain the absolute value of the films complex impedance, independently of the microwave environment. The results obtained on superconducting Vanadium films, compared with theories of superconductivity, enabled a first validation of the setup and of its working principle. This calibration device is therefore operational to measure more complex systems, such as thin films in the vicinity of the SIT.

Durant cette thèse, je me suis intéressé à deux thématiques générales qui peuvent être explorées dans des systèmes d’atomes froids : d’une part, la dynamique hors-équilibre d’un système quantique isolé, et d’autre part l’influence du désordre sur un système fortement corrélé à basse température. Dans un premier temps, nous avons développé une méthode de champ moyen, qui permet de résoudre la dynamique unitaire dans un modèle à géométrie particulière, le réseau complètement connecté. Cette approche permet d’établir une correspondance entre la dynamique unitaire du système quantique et des équations du mouvement classique. Nous avons mis à profit cette méthode pour étudier le phénomène de transition dynamique qui se signale, dans des modèles de champ moyen, par une singularité des observables aux temps longs, en fonction des paramètres initiaux ou finaux de la trempe. Nous avons montré l’existence d’une transition dynamique quantique dans les modèle de Bose-Hubbard, d’Ising en champ transverse et le modèle de Jaynes-Cummings. Ces résultats confirment l’existence d’un lien fort entre la présence d’une transition de phase quantique et d’une transition dynamique.Dans un second temps, nous avons étudié un modèle de théorie des champs relativiste avec symétrie O(N) afin de comprendre l’influence des fluctuations sur ces singularités. À l’ordre dominant en grand N, nous avons montré que la transition dynamique s’apparente à un phénomène critique. En effet, à la transition dynamique, les fonctions de corrélations suivent une loi d’échelle à temps égaux et à temps arbitraires. Il existe également une longueur caractéristique qui diverge à l’approche du point de transition. D’autre part, il apparaît que le point fixe admet une interprétation en terme de particules sans masse se propageant librement. Enfin, nous avons montré que la dynamique asymptotique au niveau du point fixe s’apparente à celle d’une trempe d’un état symétrique dans la phase de symétrie brisée. Le troisième volet de cette thèse apporte des éléments nouveaux pour la compréhension du diagramme des phases du modèle de Bose-Hubbard en présence de désordre. Pour ce faire,nous avons utilisé et étendu la méthode de la cavité quantique en champ moyen de Ioffe et Mézard, qui doit être utilisée avec la méthode des répliques. De cette manière, il est possible d’obtenir des résultats analytiques pour les exposants des lois de probabilité de la susceptibilité.Nos résultats indiquent que dans les différents régimes de la transition de phase de superfluide vers isolant, les lois d’échelle conventionnelles sont tantôt applicables, tantôt remplacées par une loi d’activation. Enfin, les exposants critiques varient continûment à la transition conventionnelle. / The fast progress of cold atoms experiments in the last decade has allowed to explore new aspects of strongly correlated systems. This thesis deals with two such general themes: the out of equilibrium dynamics of closed quantum systems, and the impact of disorder on strongly correlated bosons at zero temperature. Among the different questions about out of equilibrium dynamics, the phenomenon of dynamical transition is still lacking a complete understanding. The transition is typically signalled, in mean-field, by a singular behaviour of observables as a function of the parameters of the quench. In this thesis, a mean field method is developed to give evidence of a strong link between the quantum phase transition at zero temperature and the dynamical transition. We then study using field theory techniques a relativistic O($N$) model, and show that the dynamical transition bears similarities with a critical phenomenon. In this context, the dynamical transition also appears to be formally related to the dynamics of symmetry breaking. The second part of this thesis is about the disordered Bose-Hubbard model and the nature of its phase transitions. We use and extend the cavity mean field method, introduced by Ioffe and Mezard to obtain analytical results from the quantum cavity method and the replica trick. We find that the conventional transition, with power law scaling, is changed into an activated scaling in some regions of the phase diagram. Furthermore, the critical exponents are continuously varying along the conventional transition. These intriguing properties call for further investigations using different methods.

Des techniques expérimentales récentes ont donné la possibilité d'acquérir un très grand nombre de données concernant des réseaux biologiques complexes, comme des réseaux de neurones, des réseaux de gènes et des réseaux d'interactions de protéines. Ces techniques sont capables d'enregistrer les états des composantes individuelles de ces réseaux (neurones, gènes, protéines) pour un grand nombre de configurations. Cependant, l'information la plus pertinente biologiquement se trouve dans la connectivité de ces systèmes et dans la façon précise avec laquelle ces composantes interagissent, information que les techniques expérimentales ne sont pas au point d'observer directement. Le bût de cette thèse est d'étudier les méthodes statistiques nécessaires pour inférer de l'information sur la connectivité des réseaux complexes en partant des données expérimentales. Ce sujet est traité par le point de vue de la physique statistique, en puisant de l'arsenal de méthodes théoriques qui ont été développées pour l'étude des verres de spins. Les verres de spins sont des exemples de réseaux à variables discrètes qui interagissent de façon complexe et sont souvent utilisés pour modéliser des réseaux biologiques. Après une introduction sur les modèles utilisés ainsi qu'une discussion sur la motivation biologique de cette thèse, toutes les méthodes d'inférence de réseaux connues sont présentées et analysées du point de vue de leur performance. Par la suite, dans la troisième partie de la thèse, un nouvelle méthode est proposée qui s'appuie sur la remarque que les interactions en biologie ne sont pas nécessairement symétriques (c'est-à-dire l'interaction entre les noeuds A et B n'est pas la même dans les deux directions). Il est démontré que cette assomption conduit à des méthodes qui sont capables de prédire les interactions de façon exacte, étant donné un nombre suffisant de données, tout en utilisant un temps de calcul polynomial. Ceci est un résultat original important car toutes les autres méthodes connues sont soit exactes et non-polynomiales soit inexactes et polynomiales. / Recent experimental techniques in biology made possible the acquisition of overwhelming amounts of data concerning complex biological networks, such as neural networks, gene regulation networks and protein-protein interaction networks. These techniques are able to record states of individual components of such networks (neurons, genes, proteins) for a large number of configurations. However, the most biologically relevantinformation lies in their connectivity and in the way their components interact, information that these techniques aren't able to record directly. The aim of this thesis is to study statistical methods for inferring information about the connectivity of complex networks starting from experimental data. The subject is approached from a statistical physics point of view drawing from the arsenal of methods developed in the study of spin glasses. Spin-glasses are prototypes of networks of discrete variables interacting in a complex way and are widely used to model biological networks. After an introduction of the models used and a discussion on the biological motivation of the thesis, all known methods of network inference are introduced and analysed from the point of view of their performance. Then, in the third part of the thesis, a new method is proposed which relies in the remark that the interactions in biology are not necessarily symmetric (i.e. the interaction from node A to node B is not the same as the one from B to A). It is shown that this assumption leads to methods that are both exact and efficient. This means that the interactions can be computed exactly, given a sufficient amount of data, and in a reasonable amount of time. This is an important original contribution since no other method is known to be both exact and efficient.

En présence de désordre, la diffusion des particules peut être complètement annihilée, don- nant lieu à la fameuse localisation d'Anderson. En dimension trois, une transition de phase sépare une telle phase isolante du régime diffusif. À partir de différentes approches théo- riques et numériques, cette thèse a pour objectif de déterminer l'effet des interactions entre particules sur la localisation d'Anderson et sur la transition d'Anderson, dans le contexte expérimental des condensats de Bose-Einstein. Dans le cas unidimensionnel, la compétition entre désordre et interaction induit l'existence de trois régimes dynamiques dont les caracté- ristiques sont étudiées grâce à une approche spectrale. En nous appuyant sur le modèle du rotateur frappé quasi-périodique, nous caractérisons l'émergence du régime sub-diffusif qui tend à remplacer le régime localisé dans le cas tridimensionnel. Nous étudions également la dynamique des excitations du système et démontrons l'universalité de la transition d'An- derson vis-à-vis des quasi-particules de Bogoliubov. Dans l'objectif d'étudier la validité de l'équation de Gross-Pitaevskii, nous nous sommes enfin intéressés à une nouvelle approche, la méthode de la troncature d'Husimi. Celle-ci nous permet d'envisager une étude de la compétition entre désordre et interaction enrichie par la prise en compte du bruit quantique.

Cette étude traite du dépiégeage et de la dynamique des systèmes élastiques désordonnés. Ce cadre regroupe une large classe de systèmes allant des interfaces (telles que les parois de domaines dans les systèmes magnétiques ou ferroélectriques) aux systèmes périodiques (comme les réseaux de vortex dans les supraconducteur de type II, les colloïdes ou encore les cristaux de Wigner). Dans ces systèmes, la compétition entre l'élasticité de la structure qui veut imposer un ordre parfait et le désordre induit une grande richesse dans le diagramme de phase. L'étude est menée par simulations numériques à grande échelle, dans lesquelles nous nous intéresserons spéci fiquement aux réseaux 2D de vortex supraconducteurs. Deux types de dépiégeage sont observés lorsque l'on met en mouvement ces réseaux à l'aide d'une force extérieure : un dépiégeage plastique et un dépiégeage élastique. Nous portons notre attention sur la transition de dépiégeage élastique obtenue dans le cas d'un piégeage faible. A travers une analyse en loi d'échelle à température nulle et à température nie nous montrons le caractère continu de la transition. Divers exposants critiques sont déterminés dont l'exposant et caractérisant la dépendance en force et en température de la vitesse ou bien l'exposant caractérisant la divergence de la longueur de corrélation du système. Un modèle visco-élastique simple permettant de décrire la plasticité dans les systèmes périodiques évoluant sur un potentiel de piégeage en présence de désordre fort est également développé. Une grande variété de comportements dynamiques, similaires à ceux observés à plus grande échelle dans des systèmes périodiques, peuvent être extraits d'un tel modèle. Un dépiégeage élastique ou plastique est observé, de l'hystérésis est mesurée dans le cas du dépiégeage élastique, et du chaos est détecté pour le dépiégeage plastique.

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. / The works presented in this thesis intend to contribute to condensed matter physics in the understanding of the electronic properties of a recently discovered class of materials : the topological insulators.The first part of this memoir is an introduction to topological insulators, focusing on their specifities compared to "trivial" insulators : helical edge states (in the two dimensional quantum spin Hall effect) or relativistic surface states (for three dimensional topological insulators) both robust agiant disorder.The second part proposes a new way to probe the unique properties of the helical edge states of quantum spin Hall effect via the injection of Cooper pair from a superconductor.The third part deals with the diffusion of the three dimensional topological insulator surface states, in the phase coherent regime. The diffusion, the quantum correction to conductivity, and the amplitude of the universal conductance fluctuations are studied. This study is also led in the experimentally relevant case where the Fermi surface presents a hexagonal deformation.