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Inspired by graphene, I investigate the properties of several different real and artificial Dirac materials. Firstly, I consider a two-dimensional honeycomb lattice of metallic nanoparticles, each supporting localised surface plasmons, and study the quantum properties of the collective plasmons resulting from the near field dipolar interaction between the nanoparticles. I analytically investigate the dispersion, the effective Hamiltonian and the eigenstates of the collective plasmons for an arbitrary orientation of the individual dipole moments. When the polarisation points close to normal to the plane the spectrum presents Dirac cones, similar to those present in the electronic band structure of graphene. I derive the effective Dirac Hamiltonian for the collective plasmons and show that the corresponding spinor eigenstates represent chiral Dirac-like massless bosonic excitations that present similar effects to those of electrons in graphene, such as a non-trivial Berry phase and the absence of backscattering from smooth inhomogeneities. I further discuss how one can manipulate the Dirac points in the Brillouin zone and open a gap in the collective plasmon dispersion by modifying the polarisation of the localized surface plasmons, paving the way for a fully tunable plasmonic analogue of graphene. I present a phase diagram of gapless and gapped phases in the collective plasmon dispersion depending on the dipole orientation. When the inversion symmetry of the honeycomb structure is broken, the collective plasmons become gapped chiral Dirac modes with an energy-dependent Berry phase. I show that this concept can be generalised to describe many real and artificial graphene-like systems, labeling them Dirac materials with a linear gapped spectrum. I also show that biased bilayer graphene is another Dirac material with an energy dependent Berry phase, but with a parabolic gapped spectrum. I analyse the relativistic phenomenon of Klein Tunneling in both types of system. The Klein paradox is one of the most counter-intuitive results from quantum electrodynamics but it has been seen experimentally to occur in both monolayer and bilayer graphene, due to the chiral nature of the Dirac quasiparticles in these materials. The non-trivial Berry phase of pi in monolayer graphene leads to remarkable effects in transmission through potential barriers, whereas there is always zero transmission at normal incidence in unbiased bilayer graphene in the npn regime. These, and many other 2D materials have attracted attention due to their possible usefulness for the next generation of nano-electronic devices, but some of their Klein tunneling results may be a hindrance to this application. I will highlight how breaking the inversion symmetry of the system allows for results that are not possible in these system's inversion symmetrical counterparts.

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.

Les matériaux de Dirac constituent une classe intéressante de systèmes pouvant subir une transition de phase quantique à température nulle, lorsqu’un paramètre non-thermique atteint un point critique quantique. À l’approche d’un tel point, les observables physiques sont affectées par les importantes fluctuations thermiques et quantiques. Dans ce mémoire, on utilise des techniques de théorie conforme des champs afin d’étudier le tenseur de conductivité électrique dans des théories en 2 + 1 dimensions contenant des fermions de Dirac près d’un point critique quantique. À basse énergie, ces dernières décrivent de façon adéquate de nombreux matériaux de Dirac ainsi que leur transition de phase quantique. La conductivité est étudiée dans le régime des hautes fréquences, à température non-nulle et lorsque le paramètre non-thermique est près de sa valeur critique. Dans ce projet, l’emphase est mise sur les points critiques quantiques invariants sous la parité et le renversement du temps. Dans ce cas, l’expansion de produit d’opérateurs (Operator product expansion en anglais) ainsi que la théorie des perturbations conforme permettent d’obtenir une expression générale pour l’expansion à grandes fréquences des conductivités longitudinales et transverses (de Hall) lorsque le point critique quantique est déformé par un opérateur scalaire relevant. Grâce à ces dernières, nous sommes en mesure de déduire des règles de somme exactes pour ces deux quantités. À titre d’exemple, nos résultats généraux sont appliqués dans le cadre du modèle interagissant de Gross-Neveu, où nous obtenons l’expansion des deux conductivités ainsi que les règles de somme pour un nombre de saveurs de fermions de Dirac N arbitraire. Ces mêmes expressions sont ensuite obtenues par un calcul explicite à N = infini, permettant la comparaison avec les résultats pour un N quelconque. Par la suite, des résultats généraux similaires sont obtenus dans le cas où le point critique quantique est déformé par un opérateur pseudoscalaire relevant. Ces derniers sont finalement appliqués à une théorie de fermions de Dirac libres perturbée par un terme de masse. / Dirac materials constitute an interesting class of systems that can undergo a quantum phase transition at zero temperature, when a non-thermal parameter reaches a quantum critical point. As we approach such a point, physical observables are altered by the important thermal and quantum fluctuations. In this thesis, conformal field theory techniques are used to study the electrical conductivity tensor in theories with Dirac fermions in 2+1 dimensions close to a quantum critical point. At low energies, these adequately describe various Dirac materials as well as their quantum phase transition. In this project, we focus on theories that have a quantum critical point invariant under parity and time-reversal. In this case, the operator product expansion and conformal perturbation theory allow to obtain a general expression for the large frequency expansion of the longitudinal and transverse (Hall) conductivities when the quantum critical point is deformed by a relevant scalar operator. Using these, we are able to deduce exact sum rules for both quantities. As an example, our general results are applied to the Gross-Neveu model, where we obtain the large frequency expansion for both conductivities and the associated sum rules for an arbitrary number of Dirac fermion flavors N. The same expressions are then obtained by an explicit calculation at N = infinity, allowing to compare with our results for any N. Afterwards, analogous general results are obtained for theories where the quantum critical point is deformed by a relevant pseudoscalar. These are finally applied to a theory of massless free Dirac fermions perturbed by a mass term.