Dans mon mémoire de Thèse sont regroupés des résultats expérimentaux, centrés autour de la thématique de la cohérence quantique des électrons à très basse température, obtenus à partir de mesures très précises des corrections quantiques au transport classique dans les nanostructures métalliques. Nous avons tout d'abord étudié les effets de cohérence dans des réseaux de fils métalliques. Nous avons montré l'influence de la dimension du régime de diffusion sur la cohérence. En passant d'un conducteur macroscopique à un conducteur mésoscopique, on a observé un “crossover” dimensionnel pour l'amplitude des diverses corrections quantiques quand la longueur de cohérence de phase excède la taille typique du système, ce qui nous a permis de préciser exactement ce qu'est la moyenne d'ensemble en Physique Mésoscopique. Dans la deuxième partie de ce manuscrit, nous avons présenté des mesures du temps de cohérence de phase dans des fils métalliques contenant des impuretés magnétiques. Ces échantillons ont été fabriqués d'une fa¸con originale et contrôlée en utilisant une technologie nouvelle grâce à l'utilisation d'un faisceau d'ions focalisé. Nous avons mesuré un comportement universel sur 2 decades en temperature du déphasage par impuretés implantées, ceci étant la preuve que cette décohérence supplémentaire s'inscrit dans la Physique de l'effet Kondo. Nous avons montré que le taux de déphasage mesuré est en très bon accord avec de récents calculs du Groupe de Renormalisation Numérique. Plus particulièrement, nous avons montré de façon non équivoque que l'écrantage en dessous de TK induit une désaturation du temps de cohérence de phase linéaire en température jusqu'à 0, 1 TK.

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Ce mémoire présente un résumé de mon travail de chercheur en théorie de la matière condensée. Je présente tout d'abord mon travail de doctorat sur un modèle du supraconducteur à haute température critique Y Ba2Cu3O7. Je décris aussi les calculs de la profondeur de pénétration du champ magnétique, motivés par des expériences, dans le cadre de la théorie de couplage fort électron-phonon d'Eliashberg. La deuxième partie est consacrée aux travaux effectués lors de mon séjour postdoctoral sur la durée de vie d'une quasiparticule dans une boîte quantique. Puis j'aborde le sujet des atomes ultra-froids : modes collectifs et transition BEC-BCS. A cette occasion sont entre autres présentés mes travaux sur les problèmes à trois et quatre corps en mécanique quantique, ainsi que l'équation d'état d'un condensat de bosons composites. Je passe ensuite à mes travaux sur les excitons et le calcul de bruit de courant à travers un point quantique. Enfin, je présente mes projets de recherche.

Les propriétés physiques des intermétalliques CeTX (T = élément de transition, X = élément np1 ou np2) dépendent de la force de l'hybridation Jcf entre les électrons 4f du cérium et ceux de la bande de conduction. L'insertion d'hydrogène dans ces composés modifie à la fois le volume molaire et la densité d'états au niveau de Fermi, et donc Jcf. Au cours de ce travail, la modification par hydruration des propriétés structurales, magnétiques et électriques des familles suivantes a été étudiée: (i) CeNiX (X = Al, Ga, In, Si, Ge, Sn) qui présentent un caractère de valence intermédiaire du cérium; (ii) CeCuX (X = Ga, Si, Ge, Sn) qui présentent un état trivalent du cérium et l'apparition d'un ordre magnétique à basse température; (iii) CeMnX (X = Si, Ge) qui présentent un ordre magnétique du cérium et du manganèse. Les résultats sont discutés en faisant le parallèle entre les propriétés structurales (sites d'insertion de l'hydrogène) et les propriétés physiques.

L'étude du système Ce-Ni-Ge a permis d'établir une corrélation étroite entre les propriétés physiques de ces germaniures (gouvernées par l'état fondamental du cérium résultant d'une compétition entre deux types d'interactions : effet Kondo et interaction magnétique de type RKKY) et leur composition chimique. Ainsi, au sein du diagramme de phase ternaire Ce-Ni-Ge, nous avons établi que: (i) les germaniures riches en Ni sont soit des composés de valence intermédiaire (CeNiGe, Ce3Ni4Ge4 et CeNi4.25Ge0.75), soit des systèmes "fermions lourds" (CeNi2Ge2 et CeNi9Ge4). Notons que pour la séquence CeNi2Ge2 → Ce3Ni4Ge4 → CeNiGe, le caractère de valence intermédiaire est de plus en plus marqué; (ii) les germaniures les plus riches en Ge (>50 % atomique) sont antiferromagnétiques à basse température; dans ces composés (Ce2NiGe6, Ce3Ni2Ge7, CeNiGe3, Ce2Ni3Ge5 et CeNiGe2) l'ion cérium est trivalent; les structures magnétiques de ces composés ont été déterminées par diffraction neutronique, la valeur du moment magnétique de Ce3+ (ainsi que la température de Néel) diminue des composés les plus riches en Ge aux composés les moins riches en Ge (propriété associée à la force de l'effet Kondo).

L'étude des systèmes ternaires U - Cu - X (X = Si ou Ge) a permis de mettre en évidence trois nouvelles phases: U3Cu4Si4, U3Cu4Ge4 et UCuGe1,77. Leurs propriétés structurales et magnétiques ont été étudiées et les structures magnétiques des deux premières ont été déterminées. La substitution du cuivre au silicium dans la solution solide UCuxSi2-x (0,28 ≤ x ≤ 0,96) est à l'origine de transitions structurales et magnétiques selon les séquence α-ThSi2(quadratique) → AlB2(hexagonal) → Ni2In(hexagonal) et non magnétique → ferromagnétique → antiferromagnétique. L'évolution des propriétés magnétiques reflète la compétition entre les interactions de type Kondo et RKKY. Désordre cristallographique et frustrations magnétiques sont à l'origine d'un état "verre de spin" au passage ferro-antiferromagnétique. Les propriétés structurales et magnétiques des composés GdNi3X2 (X =Ga, Al, Sn) se sont avérées fortement dépendantes de la nature de l'élément X et du traitement thermique des échantillons. L'augmentation de la taille de X favorise une transition structurale de type CaCu5 → HoNi2,6Ga2,4 ainsi qu'un passage ferro → antiferromagnétique. Une structure cristallographique modulée commensurable (équivalente à une surstructure aHoNi2,6Ga2,4 × aHoNi2,6Ga2,4 × 2cHoNi2,6Ga2,4) est observée pour GdNi3Al2. L'insertion d'hydrogène dans Gd3Ni6Al2 et GdNi3Al2 affaiblit considérablement les interactions magnétiques.

Les structures magnétiques de deux familles de composés sont déterminées et discutées : (i) celles des hydrures RTXH (R = terre rare, T = métal de transition et X = Si, Ge) cristallisant dans la structure de type ZrCuSiAs et obtenus par insertion d'hydrogène dans les intermétalliques quadratiques de type CeFeSi. L'hydrogénation induit des transitions magnétiques variées engendrées par la compétition entre la dilatation anisotrope de la maille cristalline causée par l'absorption d'hydrogène et l'apparition de la liaison chimique R-H ; (ii) celles des siliciures ternaires R6T1.67Si3 (R = Ce, Nd, Gd, Tb et T = Co, Ni) présentant des propriétés magnétocaloriques significatives autour de leur température de Curie, en particulier ceux à base de gadolinium Gd6T1.67Si3. Les composés à base de Ce, Nd et Tb présentent des comportements magnétiques originaux qui sont expliqués par la détermination de leurs structures magnétiques. La nature complexe de ces propriétés résulte en partie de la présence de deux sites magnétiques pour R et d'un désordre atomique de l'élément T dans la structure cristallographique.

Les structures magnétiques de deux familles de composés sont déterminées et discutées : (i) celles des hydrures RTXH (R = terre rare, T = métal de transition et X = Si, Ge) cristallisant dans la structure de type ZrCuSiAs et obtenus par insertion d'hydrogène dans les intermétalliques quadratiques de type CeFeSi. L'hydrogénation induit des transitions magnétiques variées engendrées par la compétition entre la dilatation anisotrope de la maille cristalline causée par l'absorption d'hydrogène et l'apparition de la liaison chimique R-H ; (ii) celles des siliciures ternaires R6T1.67Si3 (R = Ce, Nd, Gd, Tb et T = Co, Ni) présentant des propriétés magnétocaloriques significatives autour de leur température de Curie, en particulier ceux à base de gadolinium Gd6T1.67Si3. Les composés à base de Ce, Nd et Tb présentent des comportements magnétiques originaux qui sont expliqués par la détermination de leurs structures magnétiques. La nature complexe de ces propriétés résulte en partie de la présence de deux sites magnétiques pour R et d'un désordre atomique de l'élément T dans la structure cristallographique.

Il aura fallu plusieurs années après que l'idée d'une transition de phase à température nulle émerge pour que l'on comprenne l'impact d'un tel point critique quantique sur une vaste région du diagramme de phase. Observé dans de nombreux exemples expérimentaux, ce régime critique quantique n'est toutefois pas encore bien compris sur le plan théorique et nécessite de nouvelles approches. Dans une première partie, nous nous intéressons au point critique quantique ferromagnétique. Après avoir construit une approche contrôlée permettant de décrire le régime critique quantique, nous montrons au travers de la susceptibilité statique de spin que le point critique quantique ferromagnétique est instable, détruit par une interaction effective dynamique à longue portée générée par l'amortissement de Landau des fluctuations de spin. Dans une seconde partie, nous revisitons le cas d'une impureté Kondo exactement écrantée avec une représentation bosonique du spin local et dans une limite de grande dégénérescence de spin N. Nous montrons que dans ce régime, l'état fondamental est un liquide de Fermi non-trivial contrairement à ce qui était communément admis. Nous étendons alors notre méthode au cas de deux impuretés couplées où nos résultats coincident qualitativement avec les approches déjà existantes. Ensuite, nous développons un formalisme de Luttinger-Ward capable de pallier certains défauts de l'approche originale pour la description d'une impureté isolée. Enfin, nous détaillons les bases ainsi que les premiers résultats de l'extension à un réseau Kondo de moments locaux, pertinent pour la compréhension du régime critique quantique des matériaux de type fermions lourds.