We study the low-temperature physics arising in models of a strongly correlated, tunnel-coupled double quantum dot (DQD), particularly the two-impurity Anderson model (2AIM) and the two-impurity Kondo model (2IKM), employing a combination of physical arguments and the Numerical Renormalisation Group. These models exhibit a rich range of Kondo physics. In the regime with essentially one electron on each dot, there is a competition between the Kondo effect and the interdot exchange interaction. This competition gives rise to a quantum phase transition (QPT) between local singlet and Kondo singlet phases in the 2IKM, which becomes a continuous crossover in the 2AIM as a result of the interlead charge transfer present. The 2IKM is known to exhibit two-channel Kondo (2CK) physics at the QPT, and we investigate whether this is also the case for the 2AIM at the crossover. We find that while in principle 2CK physics can be observed in the 2AIM, extremely low temperatures are required, such that it is unlikely that 2CK physics will be observed in an experimental DQD system in the near future. We have studied the effect of a magnetic field on the 2AIM and the 2IKM, finding that both the zero-field QPT in the 2IKM and the zero-field crossover in the 2AIM, persist to finite field. This presents the possibility of observing 2CK physics in an experimental DQD at finite field, but we find that the temperatures required to do so are extremely low. We show that longer even-numbered chains of spins also exhibit QPTs at finite field, and argue that a 2N-spin chain should undergo N QPTs as field is increased (starting deep in the local singlet phase at zero field). We have also carried out a joint theoretical-experimental study of a carbon nanotube based DQD, in collaboration with Dr. Mark Buitelaar et al. The agreement between experimental and theoretical results is good, and the experiments are able to access the crossover present in the 2AIM at finite field. Furthermore, the experiments show the wide range of physics exhibited by DQD systems, and illustrate the utility of such systems in probing correlated electron physics.

Le but de cette thèse est l'étude des propriétés de résonance ferromagnétique (RFM) de nanostructures et contacts atomiques. Pour ce faire, nous exploitons le fait que les propriétés de transport électrique sont dominées par le contact atomique, et nous utilisons une détection électrique. Nous avons développé un nouveau dispositif expérimental dans lequel un dispositif mécanique de jonctions à cassure est conçu pour un environnement hyperfréquence où les mesures électriques peuvent être réalisées avec des champs magnétiques statiques et dynamiques variables. Des nanostructures ont d'abord été mesurées pour déterminer la fiabilité et la grande sensibilité de notre système. Ensuite la susceptibilité, de parois de domaines à des fréquences supérieures à celles les propageant, a été déterminée comme indépendante de la fréquence. Cette susceptibilité était environ 10 fois supérieure à celle des domaines saturés. Le dispositif expérimental permet également d'étudier l'interaction entre courants de spins et propriétés dynamiques de nanostructures pendant la résonance ferromagnétique. Les courants de spins générés dynamiquement à la RFM ont été mesurés en utilisant l'effet Hall inverse de spin dans des nanostructures Py/Pt. L'influence, sur la RFM, des courants de spin inject'es par effet Hall de spin dans le platine, y a également été observée. Dans les contacts atomiques la RFM a aussi été étudiée à l'aide de mesures du signal rectifié. Lors de la cassure de nos nanostructures de cobalt ou de permalloy, de nouveaux modes de résonance apparaissent à des champs plus élevés que la résonance uniforme. Nous attribuons cet effet à la modification des champs démagnétisant lors de la réduction du diamètre de la constriction. Dans la géométrie du contact atomique, nous avons mesuré la résonance de parois de domaines contraintes. Dans ce cas, le signal rectifié généré par quelques atomes, dépend fortement de la fréquence et peut atteindre des valeurs 1000 fois supérieures à celles de la RFM des domaines avant cassure.

Cette thèse s'intéresse à l'interaction entre le couplage spin-orbite et les corrélations électroniques dans la matière condensée. En effet, de plus en plus de matériaux - tels que les isolants topologiques ou les oxydes de métaux de transition 5d à base d'iridium - présentent des propriétés pour lesquels l'interaction spin-orbite joue un rôle essentiel. Parmi eux, l'iridate de strontium (Sr2IrO4) a récemment été décrit comme un "isolant de Mott régi par les effets spin-orbite": dans cette image, l'interaction de Coulomb entre les électrons et le couplage spin-orbite se combinent pour rendre le composé isolant. Nous avons étudié la phase isolante paramagnétique de ce matériau avec l'approche LDA+DMFT, une méthode qui combine la théorie de la fonctionnelle de la densité dans l'approximation de la densité locale (LDA) avec la théorie du champ moyen dynamique (DMFT). Sr2IrO4 s'est avéré être un isolant de Mott pour une valeur raisonnable des corrélations électroniques une fois que le couplage spin-orbite et les distorsions structurales du cristal ont été pris en compte. En outre, nos résultats mettent en évidence les rôles respectifs joués par ces deux éléments dans l'obtention d'un état isolant et montrent que seule leur action conjointe permet d'ouvrir un gap de Mott dans un tel composé. Afin de réaliser cette étude, le couplage spin-orbite a dû être inclus au sein du formalisme LDA+DMFT. L'intérêt d'un tel développement technique dépasse le cas de Sr2IrO4, cette implémentation, dite "LDA+SO+DMFT", pouvant être aussi utilisée pour prendre en compte les corrélations électroniques dans d'autres oxydes de métaux de transition 5d ou même au sein des isolants topologiques.

Dans le schéma de l'allumeur rapide, dernière avancée dans le domaine de la fusion par confinement inertiel, on envisage de découpler la phase de compression de la phase de chauffage du combustible nucléaire. Cette dernière serait atteinte à l'aide d'une source extérieure constituée par un faisceau d'électrons très énergétiques créé avec un laser ultra-intense. L'étude des mécanismes de transfert d'énergie de ces électrons au combustible comprimé représente le but principal de ce travail de thèse. Nous nous proposons en particulier de mettre en évidence et d'étudier le rôle joué par les effets électriques et collisionnels de la propagation du faisceau d'électrons rapides dans un milieu aux propriétés proches du combustible comprimé. Nous avons pour cela effectué deux campagnes d'expériences, l'une avec l'installation laser VULCAN du RAL (Angleterre) et l'autre sur la nouvelle installation laser 100 TW du laboratoire LULI (France). Lors de la première expérience, nous avons obtenu les premiers résultats sur la propagation d'électrons rapides dans un matériau dense et chaud. Le caractère novateur de ce travail expérimental tient en particulier à l'utilisation de la technique de génération de hautes pressions par choc laser, ce qui a permis la création d'un plasma fortement corrélé et dégénéré. Le rôle des effets électriques et magnétiques, liés à la charge d'espace créée par le faisceau d'électrons rapides, a été approfondi lors de la deuxième campagne d'expérience, au cours de laquelle nous avons étudié la propagation des électrons dans des matériaux ayant des caractéristiques électriques différentes (isolant ou conducteur). L'analyse des résultats montre que seule la prise en compte simultanée des deux mécanismes de la propagation (collisionnels et électriques) permet un traitement correct et complet du dépôt d'énergie. La nécessité de prendre en compte les modifications apportées à la matière par le passage même des électrons, et notamment le chauffage induit, a été également mise en évidence.

Ce travail a pour but l'étude de la transition de Mott dans le silicium dopé au phosphore (ou à l'arsenic) au moyen de la double résonance électron-noyau et de la résonance nucléaire du Si29.

This thesis analyzes charge properties of (undoped) cuprate compounds from a theoretical point of view. The central question considered here is: How does the dimensionality of the CU-O sub-structure influence its charge degrees of freedom? The model used to describe the Cu-O sub-structure is the three- (or multi-) band Hubbard model. Analytical approaches are employed (ground-state formalism for strongly correlated systems, Mori-Zwanzig projection technique) as well as numerical simulations (Projector Quantum Monte Carlo, exact diagonalization). Several results are compared to experimental data. The following materials have been chosen as candidates to represent different Cu-O sub-structures: Bi2CuO4 (isolated CuO4 plaquettes), Li2CuO2 (chains of edge-sharing plaquettes), Sr2CuO3 (chains of corner-sharing plaquettes), and Sr2CuO2Cl2 (planes of plaquettes). Several results presented in this thesis are valid for other cuprates as well. Two different aspects of charge properties are analyzed: 1) Charge properties of the ground state 2) Charge excitations. (gekürzte Fassung)

La spectroscopie d'intrication, initialement introduite par Li et Haldane dans le contexte de l'effet Hall quantique fractionnaire, a suscité un large éventail de travaux. Le spectre d'intrication est le spectre de la matrice de densité réduite, quand on partitionne le système en deux. Pour de nombreux systèmes quantiques, il révèle une caractéristique unique : calculé uniquement à partir de la fonction d'onde de l'état fondamental, le spectre d'intrication donne accès à la physique des excitations de bord. Dans ce manuscrit, nous donnons un apercu de la spectroscopie d'intrication. Nous introduisons les concepts de base dans le cas des chaînes de spins quantiques. Nous présentons une étude approfondie des spectres d'intrication appliqués aux phases de l'effet Hall quantique fractionnaire, montrant quel type d'information est encodé dans l'état fondamental et comment les différentes facons de partitionner le système permettent de sonder différents types d'excitation. Comme application pratique de cette technique, nous discutons de la manière dont cette technique peut aider à faire la distinction entre les différentes phases qui émergent dans les isolants de Chern en interaction forte.

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.

En l'absence de méthodes théoriques exactes, beaucoup de questions liées au modèle d'Anderson hors d'équilibre n'ont pas encore trouvé de solution, engendrant une intense activité de recherche. Dans cette thèse, je discute le transport à travers des boîtes quantiques placées dans le régime Kondo au moyen d'une méthode d'équations du mouvement développée afin de tenir compte des effets de non-équilibre, et en particulier de la décohérence des processus virtuels de spin-flip impliqués dans l'effet de Kondo. Je compare mes résultats aux approximations précédentes, et montre les améliorations apportées par le nouveau schéma de découplage, qui résout les pathologies au point de symétrie particule-trou et permet la description du système dans une vaste gamme de paramètres. Je dérive un taux de décohérence pour les excitations, et montre son implication dans le passage du régime de couplage fort à celui de couplage faible sous l'effet d'une différence de potentiel, de la température ou d'un champ magnétique. À la lumière de ce résultat, j'étudie l'applicabilité des équations du mouvement hors d'équilibre. Je discute ensuite l'évolution d'observables hors d'équilibre ; la conductance différentielle présente un pic centré autour d'une différence de potentiel nulle et atteignant une value maximale G = 2e^2 /h. Son comportement à basse énergie se révèle universel lorsque la différence de potentiel est normalisée par la température Kondo. Je montre finalement qu'un champ magnétique divise le pic dans la conductance différentielle. La distance exacte entre les deux sommets est discutée à la lumière d'expériences récentes, pour lesquelles je donne une explication phénoménologique, et je propose un nouveau schéma expérimental pour vérifier mes hypothèses.

Les composés cubiques à base de terres rares sont un terrain favorable à l'expression de degrés de liberté alternatifs, liés à la dégénérescence d'orbite et/ou aux instabilités cristallographiques. Du fait du caractère multiaxial de la symétrie cubique, une simple anisotropie à un ion associée à des couplages d'échange isotrope y conduirait à des états d'ordre magnétique de dégénérescence élevée. Celle-ci étant systématiquement levée, on est forcé de mettre en cause des degrés de liberté autres que celui de spin. Cet impératif est confirmé par l'observation dans ces systèmes de transitions magnétiques du premier ordre, de structures magnétiques exotiques (notamment multiaxiales), d'effets magnétoélastiques, d'une anisotropie ne relevant pas du seul champ cristallin etc., phénomènes tous impossibles à appréhender sur la base de l'échange isotrope et de l'anisotropie à un ion. Nous étudions l'influence de deux types de degrés de liberté, qui interviennent par une redistribution de la charge dans le cristal : - la "déformation" de la couche 4f , décrite par l'émergence de multipôles électriques. - le déplacement des ions terre rare, lorsque la structure cristalline le permet. Dans les états d'ordre magnétique, ces deux modes correspondent à l'émergence de paramètres d'ordre secondaires, composantes multipolaires 4f et distribution de déplacement, qui participent à la définition des états ordonnés. Ils en déterminent largement les propriétés et donnent lieu à des phénomènes spécifiques qui, via la charge, trahissent le magnétisme. A l'état paramagnétique, ils sont également actifs, modifiant l'anisotropie magnétique, les propriétés magnétoélastiques et de transport etc.. Ils peuvent même y induire des transitions de phase non-magnétiques, où seule intervient la distribution de charge (ordres quadrupolaires, effet Jahn-Teller).