Cette thèse regroupe trois travaux qui concernent respectivement la chaîne de spins 1 désordonnée, les impuretés non magnétiques dans la chaîne de spins 1/2 et les processus de réaction-diffusion. La chaîne de spins 1 sous faible désordre est étudiée par la bosonisation abélienne et le groupe de renormalisation. Cette technique permet de prendre en compte la compétition entre le désordre et les interactions, et prédit le devenir des différentes phases de la chaîne de spins 1 anisotrope sous plusieurs types de désordre. L'un des résultats est la grande stabilité de la phase de Haldane, et l'instabilité de la phase antiferromagnétique sous champ magnétique aléatoire, qui sont prouvés par des arguments de groupe de renormalisation. Un deuxième travail utilise les impuretés non magnétiques comme sondes locales des corrélations dans la chaîne de spins 1/2. Dans le cas où les impuretés sont couplées au bord de la chaîne, je prédis un comportement en température du taux de relaxation du spin nucléaire des impuretés (11T,) radicalement différent du cas où ces mêmes impuretés sont couplées à la chaîne tout entière. Ceci peut en particulier être utilisé pour mesurer les exposants de surface des systèmes quantiques unidimensionnels. Le dernier travail traite des processus réaction-diffusion à une dimension dont la matrice de transfert s'exprime comme un modèle de spin. La transformation de Jordan-Wigner permet d'obtenir une théorie des champs fermionique dont les exposants critiques se déduisent du groupe de renormalisation. Cette nouvelle approche fournit une méthode alternative aux développements en c, et semble validée par l'accord raisonnable avec les résultats numériques pour la réaction dé Schlôgl.

Dans cette thèse, nous traitons de l'interaction entre deux états de<br />bord dans le régime de l'effet Hall fractionnaire. Nous nous sommes<br />appuyés sur les réalisations expérimentales récentes de structures<br />(les jonctions quantiques étendues) qui favorisent largement ces<br />interactions.<br /><br />Nous avons d'abord introduit l'effet Hall quantique en mettant<br />l'accent sur la physique des états de bords.<br /><br />Nous avons ensuite étudié le transport tunnel à travers une jonction<br />quantique étendue, en considérant les bords comme des liquides de<br />Luttinger chiraux. Nous exposons différents régimes de courant en<br />fonction de la longueur de la jonction, la force des interactions,<br />le facteur de remplissage et la température. Nous calculons<br />également le bruit associé à ce courant.<br /><br />Nous avons généralisé ces résultats à une jonction en coin, dans<br />laquelle les canaux de bord peuvent être contre ou copropageant.<br />Dans le cas contre-propageant, il apparaît une transition de phase<br />commensurable-incommensurable en fonction des interactions et d'un<br />paramêtre supplémentaire. Dans le cas co-propageant, nous calculons<br />le courant tunnel en perturbation dans un modèle de sine-Gordon<br />chiral.<br /><br />Enfin, nous déterminons les profils de densité des bords et les<br />excitations. Nous mettons en évidence l'apparition d'une instabilité<br />dans ces jonctions quand l'interaction entre les bords est trop<br />forte. La théorie de Chern-Simons montre qu'il se produit alors une<br />reconstruction des bords par les interactions.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la dégénérescence orbitale dans les systèmes d'électrons fortement corrélés à une dimension. Nous définissons un modèle simplifié, le modèle de Hubbard à symétrie SU(4), qui prend en compte de manière maximale la dégénérescence orbitale. Le diagramme des phases à température nulle est obtenu par des méthodes analytiques (bosonisation, théorie conforme, groupe de renormalisation). Les prédictions théoriques sont confrontées à des simulations numériques par Monte Carlo quantique. Dans les phases critiques, la théorie conforme décrivant la classe d'universalité du modèle est identifiée. Dans les phases massives, nous dérivons la théorie effective, qui s'avère être quasi-intégrable, permettant une description des modes collectifs de basse énergie. Le diagramme des phases obtenu est d'une grande richesse en regard de la simplicité du modèle, une particularité intéressante étant la présence d'une phase de liquide de spin gapé isolante de Mott au voisinage du demi remplissage. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous incluons des processus réalistes qui brisent la symétrie SU(4), et étudions la stabilité des phases du modèle de Hubbard SU(4) sous ces perturbations. La tendance générique est à l'apparition d'un liquide de spin gapé. Nous mettons en évidence des symétries discrètes exactes (non perturbatives) du diagramme des phases, qui relient entre elles différentes phases de liquide de spin. Ces symétries autorisent une classification des liquides de spin portés par l'échelle de spin à deux montants au voisinage de la ligne à symétrie SU(4). Deux grandes classes de liquide de spin apparaissent, l'une associée à un ordre diagonal, de type onde de densité de charge, l'autre exhibant une instabilité supraconductrice.

La première partie de cette thèse traite des chaînes de spins quantiques. On étudie tout d'abord des systèmes de spins quantiques qui sont reliés de façon continue à la chaîne de Heisenberg s=1. La construction d'un modèle sigma non-linéaire permet d'estimer le gap de ces systèmes. On étudie ensuite une chaîne de spins s=1/2 dopée par des impuretés non-magnétiques possédant un spin nucléaire. A l'aide de techniques de bosonisation, on calcule analytiquement le temps de relaxation longitudinal d'une impureté en fonction de la température, corrections logarithmiques incluses. Ce type d'analyse est également mené sur un liquide de Luttinger chiral, modélisant par exemple un demi-fil quantique. La deuxième partie est consacrée aux systèmes désordonnées en basse dimension. Des liens formels sont éclaircis entre modèle désordonné sur réseau, fermions de Dirac en milieu aléatoire, chaînes de spins supersymétriques non-compactes et modèle sigma non-linéaire. Le détail des calculs est donné sur l'exemple de la transition entre plateaux de l'effet Hall quantique entier. On calcule ensuite exactement les densités d'états et les longueurs de localisation typiques d'un fermion de Dirac en dimension 1 dans des potentiels aléatoires de différentes natures. De nombreux modèles de théorie de la matière condensée, comme par exemple la chaîne XX désordonnée, se ramènent à ce système. Puis nous étudions les fermions de Dirac en dimension 2 en milieu aléatoire. Plus particulièrement, nous analysons le cas de fermions en masse aléatoire. Ce modèle décrit les excitations de basse énergie d'un supraconducteur d'onde $d$ dont les impuretés sont magnétiques. Un diagramme de phase est proposé. Il s'articule autour du point tricritique des fermions de Dirac libres et fait apparaître une phase métallique thermique inattendue.

We present in this thesis a series of studies on the physical properties of some one dimensional systems. In particular we study the low energy properties of various spin chains and a junction of Luttinger wires. For spin chains we specifically look at the role of perturbations like frustrating interactions and dimerisation in a nearest neighbour chain and the formation of magnetisation plateaus in two kinds of models; one purely theoretical and the other motivated by experiments. In our second subject of interest we study using a renormalisation group analysis the effect of spin dependent scattering at a junction of Luttinger wires. We look at the physical effects caused by the interplay of electronic interactions in the wires and the scattering processes at the junction. The thesis begins with an introductory chapter which gives a brief glimpse of the ideas and techniques used in the specific problems that we have worked on. Our work on these problems is then described in detail in chapters 25. We now present a brief summary of each of those chapters. In the second chapter we look at the ground state phase diagram of the mixed-spin sawtooth chain, i.e a system where the spins along the baseline are allowed to be different from the spins on the vertices. The spins S1 along the baseline interact with a coupling strength J1(> 0). The coupling of the spins on the vertex (S2) to the baseline spins has a strength J2. We study the phase diagram as a function of J2/J1 [1]. The model exhibits a rich variety of phases which we study using spinwave theory, exact diagonalisation and a semi-numerical perturbation theory leading to an effective Hamiltonian. The spinwave theory predicts a transition from a spiral state to a ferrimagnetic state at J2S2/2J1S1 = 1 as J2/J1 is increased. The spectrum has two branches one of which is gapless and dispersionless (at the linear order) in the spiral phase. This arises because of the infinite degeneracy of classical ground states in that phase. Numerically, we study the system using exact diagonalisation of up to 12 unit cells and S1 = 1 and S2 =1/2. We look at the variation of ground state energy, gap to the lowest excitations, and the relevant spin correlation functions in the model. This unearths a richer phase diagram than the spinwave calculation. Apart from revealing a possibility of the presence of more than one kind of spiral phases, numerical results tell us about a very interesting phase for small J2. The spin correlation function (for the spin1/2s) in this region have a property that the nextnearest-neighbour correlations are much larger than the nearest neighbour correlations. We call this phase the NNNAFM (nextnearest neighbour antiferromagnet) phase and provide an understanding of this phase by deriving an effective Hamiltonian between the spin1/2s. We also show the existence of macroscopic magnetisation jumps in the model when one looks at the system close to saturation fields. The third chapter is concerned with the formation of magnetisation plateaus in two different spin models. We show how in one model the plateaus arise because of the competition between two coupling constants, and in the other because of purely geometrical effects. In the first problem we propose [2] a class of spin Hamiltonians which include as special cases several known systems. The class of models is defined on a bipartite lattice in arbitrary dimensions and for any spin. The simplest manifestation of such models in one dimension corresponds to a ladder system with diagonal couplings (which are of the same strength as the leg couplings). The physical properties of the model are determined by the combined effects of the competition between the ”rung” coupling (J’ )and the ”leg/diagonal” coupling (J ) and the magnetic field. We show that our model can be solved exactly in a substantial region of the parameter space (J’ > 2J ) and we demonstrate the existence of magnetisation plateaus in the solvable regime. Also, by making reasonable assumptions about the spectrum in the region where we cannot solve the model exactly, we prove the existence of first order phase transitions on a plateau where the sublattice magnetisations change abruptly. We numerically investigate the ladder system mentioned above (for spin1) to confirm all our analytical predictions and present a phase diagram in the J’/J - B plane, quite a few of whose features we expect to be generically valid for all higher spins. In the second problem concerning plateaus (also discussed in chapter 3) we study the properties of a compound synthesised experimentally [3]. The essential feature of the structure of this compound which gives rise to its physical properties is the presence of two kinds of spin1/2 objects alternating with each other on a helix. One kind has an axis of anisotropy at an inclination to the helical axis (which essentially makes it an Ising spin) whereas the other is an isotropic spin1/2 object. These two spin1/2 objects interact with each other but not with their own kind. Experimentally, it was observed that in a magnetic field this material exhibits magnetisation plateaus one of which is at 1/3rd of the saturation magnetisation value. These plateaus appear when the field is along the direction of the helical axis but disappear when the field is perpendicular to that axis. The model being used for the material prior to our work could not explain the existence of these plateaus. In our work we propose a simple modification in the model Hamiltonian which is able to qualitatively explain the presence of the plateaus. We show that the existence of the plateaus can be explained using a periodic variation of the angles of inclination of the easy axes of the anisotropic spins. The experimental temperature and the fields are much lower than the magnetic coupling strength. Because of this quite a lot of the properties of the system can be studied analytically using transfer matrix methods for an effective theory involving only the anisotropic spins. Apart from the plateaus we study using this modified model other physical quantities like the specific heat, susceptibility and the entropy. We demonstrate the existence of finite entropy per spin at low temperatures for some values of the magnetic field. In chapter 4 we investigate the longstanding problem of locating the gapless points of a dimerised spin chain as the strength of dimerisation is varied. It is known that generalising Haldane’s field theoretic analysis to dimerised spin chains correctly predicts the number of the gapless points but not the exact locations (which have determined numerically for a few low values of spins). We investigate the problem of locating those points using a dimerised spin chain Hamiltonian with a ”twisted” boundary condition [4]. For a periodic chain, this ”twist” consists simply of a local rotation about the zaxis which renders the xx and yy terms on one bond negative. Such a boundary condition has been used earlier for numerical work whereby one can find the gapless points by studying the crossing points of ground states of finite chains (with the above twist) in different parity sectors (parity sectors are defined by the reflection symmetry about the twisted bond). We study the twisted Hamiltonian using two analytical methods. The modified boundary condition reduces the degeneracy of classical ground states of the chain and we get only two N´eel states as classical ground states. We use this property to identify the gapless points as points where the tunneling amplitude between these two ground states goes to zero. While one of our calculations just reproduces the results of previous field theoretic treatments, our second analytical treatment gives a direct expression for the gapless points as roots of a polynomial equation in the dimerisation parameter. This approach is found to be more accurate. We compare the two methods with the numerical method mentioned above and present results for various spin values. In the final chapter we present a study of the physics of a junction of Luttinger wires (quantum wires) with both scalar and spin scattering at the junction ([5],[6]). Earlier studies have investigated special cases of this system. The systems studied were two wire junctions with either a fully transmitting scattering matrix or one corresponding to disconnected wires. We extend the study to a junction of N wires with an arbitrary scattering matrix and a spin impurity at the junction. We study the RG flows of the Kondo coupling of the impurity spin to the electrons treating the electronic interactions and the Kondo coupling perturbatively. We analyse the various fixed points for the specific case of three wires. We find a general tendency to flow towards strong coupling when all the matrix elements of the Kondo coupling are positive at small length scales. We analyse one of the strong coupling fixed points, namely that of the maximally transmitting scattering matrix, using a 1/J perturbation theory and we find at large length scales a fixed point of disconnected wires with a vanishing Kondo coupling. In this way we obtain a picture of the RG at both short and long length scales. Also, we analyse all the fixed points using lattice models to gain an understanding of the RG flows in terms of specific couplings on the lattice. Finally, we use to bosonisation to study one particular case of scattering (the disconnected wires) in the presence of strong interactions and find that sufficiently strong interactions can stabilise a multichannel fixed point which is unstable in the weak interaction limit.

Dans cette thèse nous avons étudié les fluctuations de courant, l'admittance quantique ainsi que la densité d'états pour un nano système en interaction. Dans la première partie de la thèse, nous avons étudié les fluctuations de courant et l'admittance pour un conducteur unidimensionnel, en décrivant le système par un liquide de Tomonaga-Luttinger. Les techniques de bosonisation et de refermionisation permettent d'avoir des résultats exacts. Ces résultats sont appliqués à un conducteur cohérent couplé à un quantum de résistance, et aux états de bord dans le régime de l'effet Hall quantique fractionnaire. Dans le cas d'un conducteur cohérent, le bruit non symétrisé à fréquence finie exhibe un profil différent de celui de la théorie de la diffusion, et la conductance à fréquence finie est directement liée au courant. Dans le cas des états de bord, nous avons établi une relation entre les corrélations de courant et l'admittance dans certaines limites. En particulier, les singularités qui apparaissent dans les corrélations de courant sont celles de l'admittance. Dans la deuxième partie, nous avons étudié un fil quantique connecté à deux réservoirs représentés par deux impuretés. Le système est décrit par un liquide de Tomonaga-Luttinger. Nous avons établi et résolu l'équation de Dyson pour la fonction de Green retardée. Ce qui permet de calculer la densité d'états pour un fil quantique homogène puis inhomogène. Dans le cas d'un paramètre d'interaction homogène, l'effet des impuretés modifie le profil de la densité d'états. Dans le cas d'un paramètre d'interaction inhomogène, le calcul de la densité d'états est plus difficile et une approche numérique est indispensable. / In this thesis we focus on the study of the current fluctuations, quantum admittance and density of states of an interacting nano system. The first part of the thesis is related to the calculation of current fluctuations and admittance for one dimensional conductor. The system is described by a Tomonaga-Luttinger liquid. The use of bosonization and refermionization procedures allows us to obtain exact results, valuable whatever the value of the applied voltage, for all frequencies and all temperature regimes. Tow cases are studied. In the first one, we consider a coherent conductor coupled to a quantum of resistance. We find that the finite frequency noise behavior differs from that of the scattering theory, and the finite frequency conductance is directly related to the current. In the second case, we study edge states in the fractional quantum Hall regime. We establish a relationship between the current correlations and the admittance in certain limits. Thus, the singularities observed in the current correlations are those of the admittance. The second part of the thesis is devoted to the study of an interacting quantum wire connected to tow leads modeled as two impurities. The system is described by a Tomonaga-Luttinger liquid. We derived and solved an exact Dyson equation for a retarded Green function. Than we calculate the density of states in two cases, homogeneous quantum wire, and next inhomogeneous one. The effect of the impurities changes the behavior of the density of states for the homogeneous case. In the case of a position depending interaction parameter, the calculation of the density of states is more difficult and a numerical approach is needed.

Dans notre thèse nous nous sommes intéressés à l'étude des fluctuations de courant, de l'admittance quantique ainsi que la densité d'états pour un nano système en interaction. Notre travail se divise en deux parties. Dans la première partie, nous avons étudié les fluctuations de courant et l'admittance pour un conducteur unidimensionnel, en décrivant le système par un liquide de Tomonaga-Luttinger. Nous avons utilisé les techniques de bosonisation et de refermionisation afin d'aboutir à des résultats exacts pour tous les régimes de température, toutes les valeurs de la tension appliquée et toute la gamme des fréquences. Les résultats obtenus sont appliqués à un conducteur cohérent couplé à un quantum de résistance, et aux états de bord dans le régime de l'effet Hall quantique fractionnaire. Dans le cas d'un conducteur cohérent, le bruit non symétrisé à fréquence finie exhibe un profil différent de celui de la théorie de la diffusion, et la conductance à fréquence finie est directement liée au courant. Dans le cas du régime de l'effet Hall quantique fractionnaire, nous avons pu établir que dans certaines limites, il existe une relation entre les corrélations de courant à l'admittance quantique. En particulier, les singularités qui apparaissent dans les corrélations de courant sont celles de l'admittance. Dans la deuxième partie, nous avons étudié un fil quantique connecté à deux réservoirs qui sont représentés par deux impuretés. Le système est décrit par un liquide de Tomonaga-Luttinger. Nous avons établi et résolu l'équation de Dyson pour la fonction de Green retardée. Ce qui permet de calculer la densité d'états pour un fil quantique homogène puis inhomogène. Dans le cas d'un paramètre d'interaction homogène, l'effet des impuretés modifie le profil de la densité d'états. Dans le cas d'un paramètre d'interaction inhomogène, le calcul de la densité d'états est plus difficile et une approche numérique est indispensable.