Nous etudions des systemes de spin quantiques a temperature finie<br />avec une contrainte d'occupation stricte des sites au moyen d'une procedure<br />introduite par V. N. Popov et S. A. Fedotov. Nous montrons que cette contrainte modifie <br />le comportement d'observables physiques par rapport au cas ou cette<br />contrainte est fixee de facon moyenne par la methode des multiplicateurs de Lagrange. La pertinence de l'etat de Neel est <br />etudiee en presence de la contrainte stricte d'occupation des sites du <br />reseau de spin. <br />La temperature de transition des parametres d'ordre antiferromagnetique<br />de Neel et d'etat de liquide de spins sont doubles par rapport a ceux <br />obtenu par la methode moyenne des multiplicateurs de Lagrange. Nous <br />considerons l'Hamiltonien de basse energie d'ecrit par un Lagrangien de <br />QED3 pour les spinons. Dans ce contexte la masse generee dynamiquement<br />est comparee a celle obtenue par la methode d'occupation moyenne de site.

Ce manuscrit porte sur l’étude de cuprates de basse dimensionnalité, les systèmes à chaînes de spins SrCuO₂ et Sr₂CuO₃. Un des intérêts de ces deux composés est qu’ils présentent des conductions thermiques fortement anisotropes. Celles-ci comportent une contribution magnétique due au transport de la chaleur via les excitations de spinons qui se manifeste uniquement dans la direction des chaînes de spins. Notre étude a pour objectif la mise en évidence des mécanismes qui gouvernent ces propriétés de transport, notamment à travers l’étude des interactions entre les spinons, les phonons et les défauts. Les interactions spinons (phonons)-défauts ont été sondées par l’introduction intentionnelle de dopants (1-2%) non-magnétiques sur le site du cuivre : Mg²⁺, Zn²⁺, Pd²⁺ ou Ni²⁺, ou encore par l’introduction d’éléments possédant des degrés d’oxydation différents sur le site du strontium : La³⁺ ou K⁺. Les composés ont été synthétisés sous leur forme monocristalline par la méthode de fusion de la zone solvante. Des caractérisations structurales, magnétiques et thermiques des composés purs et dopés ont été réalisées. Les spectres d’excitations magnétiques de ces cuprates ont été déterminés par diffusion inélastique de neutrons, spectroscopie RMN et spectroscopie de photoémission résolue en angle afin de révéler l’impact de la substitution. L’étude des spectres de phonons a également été réalisée par diffusion inélastique de neutrons. Les résultats de ces mesures sont corrélés aux propriétés de conduction thermique des composés purs et dopés.. / This manuscript deals with the study of low dimensional cuprates, namely, the spin chains systems SrCuO₂ and Sr₂CuO₃. These two compounds exhibit highly anisotropic thermal conduction properties along the spin-chains direction, where magnetic thermal conduction contributes to the heat transport process via spinon excitations. Our study aims to highlight the mechanisms that govern the heat transport properties, particularly through the study of the scattering channels involving spinon, phonon and defects. The spinon (phonon)–defect scattering was probed by the intentional introduction of nonmagnetic dopants (1-2%) on the copper site, by: Mg²⁺, Zn²⁺, Pd²⁺ or Ni²⁺, or by the introduction of elements carrying different oxidation level on the strontium site, by: La³⁺ or K⁺. Single crystals of the pure and doped materials have been grown by the travelling solvent floating zone method. The structural, magnetic and thermal characterizations of the pure and doped compounds were performed. The magnetic excitation spectra of the compounds were determined by inelastic neutron scattering, NMR spectroscopy, and angle resolved photoemission spectroscopy to reveal the impact of the substitution on the spin dynamics of the doped compounds. The study of phonon spectra has also been performed by inelastic neutron scattering. Results from inelastic neutron scattering have been correlated to the heat transport properties of the pristine and substituted materials.

We demonstrate a remarkable property of metallic Fermi liquids: the transverse conductivity assumes a universal value in the quasi-static (ω → 0) limit for wavevectors q in the regime l −1 mfp q pF, where lmfp is the mean free path and pF is the Fermi momentum. This value is (e2/h)RFS/q in two dimensions (2D), where RFS measures the local radius of curvature of the Fermi surface (FS) in momentum space. Even more surprisingly, we find that U(1) spin liquids with a spinon FS have the same universal transverse conductivity. This means such spin liquids behave effectively as metals in this regime, even though they appear insulating in standard transport experiments. Moreover, we show that transverse current fluctuations result in a universal low-frequency magnetic noise that can be directly probed by a spin qubit, such as a nitrogen-vacancy (NV) center in diamond, placed at a distance z above of the 2D metal or spin liquid. Specifically the magnetic noise is given by CωPFS/z, where PFS is the perimeter of the FS in momentum space and C is a combination of fundamental constants of nature. Therefore these observables are controlled purely by the geometry of the FS and are independent of kinematic details of the quasi-particles, such as their effective mass and interactions. This behavior can be used as a new technique to measure the size of the FS of metals and as a smoking gun probe to pinpoint the presence of the elusive spinon FS in two-dimensional systems. We estimate that this universal regime is within reach of current NV center spectroscopic techniques for several spinon FS candidate materials.