Cette thèse porte sur l'étude de systèmes quantiques à N-corps à température nulle, où le comportement du système n'est alors soumis qu'aux effets quantiques. Je vais présenter ici une approche variationnelle développée avec Tommaso Roscilde, mon directeur de thèse, et Fabio Mezzacapo, mon co-encadrant de thèse, pour étudier ces systèmes.Cette approche se base sur une parametrisation de l’état quantique (dit Ansatz) à laquelle on applique une procédure d’optimisation variationnelle lui permettant de reproduire l'évolution d'un système soumis à l'équation de Schrödinger, tout en limitant le nombre de variables considérées. En considérant une évolution en temps imaginaire, il est possible d'étudier l'état fondamental d'un système. Je me suis ainsi intéressé à un modèle de chaîne XX de spins 1/2, dont les corrélations à longue portée rendent l'étude difficile, et adapté ainsi notre approche pour reproduire au mieux les corrélations et l'intrication du système. Je me suis ensuite intéressé au modèle J1-J2 dont la structure de signe non positive des coefficients de l’état quantique pose un défi important pour les approches Monte Carlo; et dans laquelle la frustration magnétique induit une transition de phase quantique (d’un état aux corrélations à longue porté vers un état non magnétique avec formation d’un cristal de lien de valence). Je me suis enfin intéressé à l'évolution temporelle d'un système à N-corps à partir d'un état non stationnaire. J'ai pu étudier la capacité de notre approche à reproduire la croissance linéaire de l’intrication dans le temps, ce qui est un obstacle fondamental pour les approches alternatives telles que le groupe de renormalisation de la matrice densité. / This thesis presents a study of quantum many-body systems at zero temperature, where the behavior of the system is purely driven by the quantum effects. I will introduce a variationnal approach developped with Tommaso Roscilde, my PhD supervisor, and Fabio Mezzacapo, my co-supervisor, in order to study these systems.This approach is based on a parametrisation of the quantum state (named Ansatz) on which we apply a variational optimisation, allowing us reproduce the system's evolution under Schrödinger's equation with a limited number of variables.By considering an imaginary-time evolution, it is possible to reconstruct the system's ground state. I focused on S=1/2 XX spin chain, where the long-range quantum correlations complicate a variational study; and I have specifically targeted our Ansatz in order to reproduce the correlations and the entanglement of the ground state. Moreover I considered the antiferromagnetic S=1/2 J1-J2 spin chain, where the non-trivial sign structure of the coefficients of the quantum state introduces an important challenge for the quantum Monte Carlo approach; and where the magnetic frustration induces a quantum phase transition (from a state with long range correlations to a non-magnetic state in the form of a valence-bond crystal).Finally I focused on the time evolution of a quantum many-body system starting from a non-stationary state. I studied the ability of our approach to reproduce the linear increase of the entanglement during time, which is a fondamental obstacle for other approaches such as the density-matrix renormalization group.

Dans la première partie, nous présentons les résultats de l'étude du supraconducteur sans inversion de symétrie LaRhSi3 par spectroscopie muonique. En champ nul, nous n'avons pas détecté de champ interne. Ceci indique que la fonction d'onde de l'état supraconducteur n'est pas dominée par l'état triplet. Les mesures en champ transverse de 35G présentent une transition en accord avec la transition de phase attendue sous le champ critique Hc1. Nous avons répété ces mesures pour un champ entre Hc1 et Hc2, 150G. Le spectre obtenu pour ces mesures conserve l'asymétrie et relaxe rapidement à basse température tel que prédit pour un supraconducteur dans la phase d'Abrikosov. Néanmoins, les relaxations produites par ce balayage en température présentent une transition à près de 2 fois la température critique attendue. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous donnons l'interprétation des résultats de la diffraction neutronique inélastique par l'étude des champs électriques cristallins. Ces mesures ont été effectuées sur des aimants frustrés SrHo2O4 et SrDy2O4 sous la forme de poudre. L'étude des niveaux produits par les champs cristallins par la méthode des opérateurs de Stevens indique une perte du moment cinétique dans les deux matériaux. Pour le SrDy2O4, l'état fondamental serait constitué de quatre états dégénérés quasi accidentellement qui portent un moment magnétique total non-nul. Toute fois, nos mesures de susceptibilité magnétique ne montrent aucun ordre au-dessus de 50mK. Pour le SrHo2O4, le fondamental est formé d'une paire accidentelle. Nous obtenons un moment magnétique de 6.94(8)$\mu_B$ ce qui s'accorde avec les données expérimentales. / In the first part of this thesis, we present our muon spectroscopy results of the non-centrosymmetric superconductor LaRhSi3. Zero magnetic field measurements showed no internal field, suggesting at most a very small triplet component in the superconducting wave function. A temperature scan taken in 35G transverse-field geometry showed a phase transition at Hc1. The asymmetry of the muon relaxation spectrum measured at 20mK and field of 150G, which is between the lower and upper critical fields, shows a faster relaxation rate compared to the spectrum obtained at 4K, a behaviour expected in the presence of vortices in the type II superconductor. However, the temperature dependence of the relaxation rate begins to increase all the way to a temperature twice Tc of LaRhSi3 in a field of 150G. In the second part of this document, we present the interpretation of inelastic neutron scattering by crystalline electric fields. These measurements were carried out on powder samples of frustrated quantum magnets SrHo2O4 and SrDy2O4. Using Stevens operators method, we determined the level scheme du to crystalline electric field effects using a point charge model and fitted it to the experimental data. For the SrDy2O4 we found a ground state that appears to be composed of four quasi-accidental degenerate states that carry a non zero magnetic moment even though susceptibility measurements did not indicate magnetic order above 50mK. For the SrHo2O4, the ground state is a pair with a 6.98(8)$\mu_B$ magnetic moment. This lat value fots with experimental data.

Dans la première partie, nous présentons les résultats de l'étude du supraconducteur sans inversion de symétrie LaRhSi3 par spectroscopie muonique. En champ nul, nous n'avons pas détecté de champ interne. Ceci indique que la fonction d'onde de l'état supraconducteur n'est pas dominée par l'état triplet. Les mesures en champ transverse de 35G présentent une transition en accord avec la transition de phase attendue sous le champ critique Hc1. Nous avons répété ces mesures pour un champ entre Hc1 et Hc2, 150G. Le spectre obtenu pour ces mesures conserve l'asymétrie et relaxe rapidement à basse température tel que prédit pour un supraconducteur dans la phase d'Abrikosov. Néanmoins, les relaxations produites par ce balayage en température présentent une transition à près de 2 fois la température critique attendue. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous donnons l'interprétation des résultats de la diffraction neutronique inélastique par l'étude des champs électriques cristallins. Ces mesures ont été effectuées sur des aimants frustrés SrHo2O4 et SrDy2O4 sous la forme de poudre. L'étude des niveaux produits par les champs cristallins par la méthode des opérateurs de Stevens indique une perte du moment cinétique dans les deux matériaux. Pour le SrDy2O4, l'état fondamental serait constitué de quatre états dégénérés quasi accidentellement qui portent un moment magnétique total non-nul. Toute fois, nos mesures de susceptibilité magnétique ne montrent aucun ordre au-dessus de 50mK. Pour le SrHo2O4, le fondamental est formé d'une paire accidentelle. Nous obtenons un moment magnétique de 6.94(8)$\mu_B$ ce qui s'accorde avec les données expérimentales. / In the first part of this thesis, we present our muon spectroscopy results of the non-centrosymmetric superconductor LaRhSi3. Zero magnetic field measurements showed no internal field, suggesting at most a very small triplet component in the superconducting wave function. A temperature scan taken in 35G transverse-field geometry showed a phase transition at Hc1. The asymmetry of the muon relaxation spectrum measured at 20mK and field of 150G, which is between the lower and upper critical fields, shows a faster relaxation rate compared to the spectrum obtained at 4K, a behaviour expected in the presence of vortices in the type II superconductor. However, the temperature dependence of the relaxation rate begins to increase all the way to a temperature twice Tc of LaRhSi3 in a field of 150G. In the second part of this document, we present the interpretation of inelastic neutron scattering by crystalline electric fields. These measurements were carried out on powder samples of frustrated quantum magnets SrHo2O4 and SrDy2O4. Using Stevens operators method, we determined the level scheme du to crystalline electric field effects using a point charge model and fitted it to the experimental data. For the SrDy2O4 we found a ground state that appears to be composed of four quasi-accidental degenerate states that carry a non zero magnetic moment even though susceptibility measurements did not indicate magnetic order above 50mK. For the SrHo2O4, the ground state is a pair with a 6.98(8)$\mu_B$ magnetic moment. This lat value fots with experimental data.

La déstabilisation de l’ordre antiferromagnétique de Néel au profit de nouvelles phases quantiques à température nulle à deux dimensions est envisageable grâce au phénomène de frustration magnétique. Le modèle théorique de spins Heisenberg S=1/2 répartis sur le réseau bidimensionnel frustré kagome, constitué de triangles joints uniquement par leurs sommets, est susceptible de stabiliser des phases quantiques originales de liquides de spin, qui ne présentent aucune brisure de symétrie à T = 0. Cette thèse a été consacrée à l’étude expérimentale de deux types de composés de spins S=1/2 (Cu2+) à géométrie kagome à l’aide de techniques spectroscopiques locales, la RMN et la μSR, ainsi que de mesures thermodynamiques (susceptibilité magnétique, chaleur spécifique). Dans Mg-herbertsmithite, la frustration est générée par une interaction d’échange premiers voisins antiferromagnétique J et est responsable d’un comportement liquide de spin jusqu’à des températures de l’ordre de J/10000. Par rapport au composé isostructural antérieur, Zn-herbertsmithite, nous avons montré qu’il possédait des propriétés physiques similaires tout en permettant une caractérisation fine du taux de défauts de substitutions Cu/Mg. Nos expériences réalisées à partir d’échantillons contrôlés permettent d’étudier finement l’origine des plateaux de relaxation observés en μSR à basse température en lien avec l’existence des défauts de spins interplans. La kapellasite et l’haydéite possèdent des interactions ferromagnétiques (J1) et antiferromagnétiques (Jd), offrant la possibilité d’explorer le diagramme de phases générées par la compétition de ces interactions sur le réseau kagome. Pour la kapellasite, nos mesures de μSR démontrent le caractère liquide de spin jusqu’à T ≈ J1/1000. La dépendance en température de la susceptibilité magnétique sondée par RMN du 35Cl ainsi que de la chaleur spécifique permettent d’évaluer le rapport Jd/J1 = 0.85, qui localise classiquement son fondamental au sein d’une phase originale de spins non coplanaires à 12 sous-réseaux appelée cuboc2. Les interactions présentes dans l’haydéite localisent son fondamental au sein de la phase ferromagnétique, en bon accord avec nos mesures qui indiquent une transition partielle à caractère ferromagnétique à T = 4 K. Cette étude confirme la pertinence du réseau kagome frustré pour la stabilisation de phases quantiques originales et démontre l’existence d’une nouvelle phase liquide de spin sur ce réseau, distincte de celle attendue pour des spins couplés antiferromagnétiquement. / Magnetic frustration helps destabilizing conventional Néel order at T = 0 in dimensions 2, and therefore allows the emergence of new original quantum phases. The S=1/2 Heisenberg Hamiltonian on the highly frustrated kagome lattice, which is made of corner-sharing triangles, is expected to stabilize such quantum states, including the spin liquid ones which do not break any symmetry even at T = 0. This thesis work focuses on the experimental study of two kinds of S=1/2 (Cu2+) kagome compounds using NMR and μSR local probes as well as thermodynamic measurements (magnetic susceptibility, specific heat).In Mg-herbertsmithite magnetic frustration occurs thanks to a first nearest-neighbor antiferromagnetic interaction J and is responsible for the spin liquid behavior observed down to T = J/10000. In comparison with the formerly known isostructural counterpart Zn-herbertsmithite, we showed that it shares similar physical magnetic properties while allowing sensitive structural refinements and therefore a control of the level of Cu/Mg substitutions defects. Our experiments performed on such well controlled materials allow us to investigate the origin of the dynamical relaxation in these compounds in relation with the existence of interplane spins defects. Kapellasite and haydeite possess both ferromagnetic (J1) and antiferromagnetic (Jd) interactions. They offer the possibility to explore the phase diagram generated by such competing interactions on the kagome lattice. For kapellasite, our μSR experiments evidenced a spin liquid character down to T ≈ J1/1000. We tracked the temperature dependence of the magnetic susceptibility probed by 35Cl-NMR as well as of the specific heat, from which the ratio Jd/J1 = 0.85 can be evaluated. This ratio locates the ground-state of kapellasite to be within an original non-coplanar spin phase described by 12 magnetic sublattices and called cuboc2. Magnetic exchanges in haydeite locate its ground-state within the ferromagnetic phase. Both our local and thermodynamic measurements point to a partial ferromagnetic transition at T = 4 K. This study confirms the relevance of the frustrated quantum kagome lattice to stabilize original quantum phases and suggests the existence of a new spin liquid phase, distinct from the one expected for antiferromagnetically coupled spins.