Global quantum correlations in finite-size spin chains

We perform an extensive study of the properties of global quantum correlations in finite-size one-dimensional quantum spin models at finite temperature. By adopting a recently proposed measure for global quantum correlations (Rulli and Sarandy 2011 Phys. Rev. A 84 042109), called global discord, we show that critical points can be neatly detected even for many-body systems that are not in their ground state. We consider the transverse Ising model, the cluster-Ising model where three-body couplings compete with an Ising-like interaction, and the nearest-neighbor XX Hamiltonian in transverse magnetic field. These models embody our canonical examples showing the sensitivity of global quantum discord close to criticality. For the Ising model, we find a universal scaling of global discord with the critical exponents pertaining to the Ising universality class.

Linear Optics Simulation of Quantum Non-Markovian Dynamics

The simulation of open quantum dynamics has recently allowed the direct investigation of the features of system-environment interaction and of their consequences on the evolution of a quantum system. Such interaction threatens the quantum properties of the system, spoiling them and causing the phenomenon of decoherence. Sometimes however a coherent exchange of information takes place between system and environment, memory effects arise and the dynamics of the system becomes non-Markovian. Here we report the experimental realisation of a non-Markovian process where system and environment are coupled through a simulated transverse Ising model. By engineering the evolution in a photonic quantum simulator, we demonstrate the role played by system-environment correlations in the emergence of memory effects.

Assessing the Nonequilibrium Thermodynamics in a Quenched Quantum Many-Body System via Single Projective Measurements

We analyze the nature of the statistics of the work done on or by a quantum many-body system brought out of equilibrium. We show that, for the sudden quench and for an initial state that commutes with the initial Hamiltonian, it is possible to retrieve the whole nonequilibrium thermodynamics via single projective measurements of observables. We highlight, in a physically clear way, the qualitative implications for the statistics of work coming from considering processes described by operators that either commute or do not commute with the unperturbed Hamiltonian of a given system. We consider a quantum many-body system and derive an expression that allows us to give a physical interpretation, for a thermal initial state, to all of the cumulants of the work in the case of quenched operators commuting with the unperturbed Hamiltonian. In the commuting case, the observables that we need to measure have an intuitive physical meaning. Conversely, in the noncommuting case, we show that, although it is possible to operate fully within the single-measurement framework irrespectively of the size of the quench, some difficulties are faced in providing a clear-cut physical interpretation to the cumulants. This circumstance makes the study of the physics of the system nontrivial and highlights the nonintuitive phenomenology of the emergence of thermodynamics from the fully quantum microscopic description. We illustrate our ideas with the example of the Ising model in a transverse field showing the interesting behavior of the high-order statistical moments of the work distribution for a generic thermal state and linking them to the critical nature of the model itself.

Optimization through quantum annealing: theory and some applications

Quantum annealing is a promising tool for solving optimization problems, similar in some ways to the traditional ( classical) simulated annealing of Kirkpatrick et al. Simulated annealing takes advantage of thermal fluctuations in order to explore the optimization landscape of the problem at hand, whereas quantum annealing employs quantum fluctuations. Intriguingly, quantum annealing has been proved to be more effective than its classical counterpart in many applications. We illustrate the theory and the practical implementation of both classical and quantum annealing - highlighting the crucial differences between these two methods - by means of results recently obtained in experiments, in simple toy-models, and more challenging combinatorial optimization problems ( namely, Random Ising model and Travelling Salesman Problem). The techniques used to implement quantum and classical annealing are either deterministic evolutions, for the simplest models, or Monte Carlo approaches, for harder optimization tasks. We discuss the pro and cons of these approaches and their possible connections to the landscape of the problem addressed.

Dynamics of the entanglement spectrum in spin chains

We study the dynamics of the entanglement spectrum, that is the time evolution of the eigenvalues of the reduced density matrices after a bipartition of a one-dimensional spin chain. Starting from the ground state of an initial Hamiltonian, the state of the system is evolved in time with a new Hamiltonian. We consider both instantaneous and quasi adiabatic quenches of the system Hamiltonian across a quantum phase transition. We analyse the Ising model that can be exactly solved and the XXZ for which we employ the time-dependent density matrix renormalisation group algorithm. Our results show once more a connection between the Schmidt gap, i.e. the difference of the two largest eigenvalues of the reduced density matrix and order parameters, in this case the spontaneous magnetisation.

Full characterization of the quantum linear-zigzag transition in atomic chains

A string of repulsively interacting particles exhibits a phase transition to a zigzag structure, by reducing the transverse trap potential or the interparticle distance. Based on the emergent symmetry Z2 it has been argued that this instability is a quantum phase transition, which can be mapped to an Ising model in transverse field. An extensive Density Matrix Renormalization Group analysis is performed, resulting in an high-precision evaluation of the critical exponents and of the central charge of the system, confirming that the quantum linear-zigzag transition belongs to the critical Ising model universality class. Quantum corrections to the classical phase diagram are computed, and the range of experimental parameters where quantum effects play a role is provided. These results show that structural instabilities of one-dimensional interacting atomic arrays can simulate quantum critical phenomena typical of ferromagnetic systems.

Meta-analysis and imputation refines the association of 15q25 with smoking quantity.

Smoking is a leading global cause of disease and mortality. We established the Oxford-GlaxoSmithKline study (Ox-GSK) to perform a genome-wide meta-analysis of SNP association with smoking-related behavioral traits. Our final data set included 41,150 individuals drawn from 20 disease, population and control cohorts. Our analysis confirmed an effect on smoking quantity at a locus on 15q25 (P = 9.45 x 10(-19)) that includes CHRNA5, CHRNA3 and CHRNB4, three genes encoding neuronal nicotinic acetylcholine receptor subunits. We used data from the 1000 Genomes project to investigate the region using imputation, which allowed for analysis of virtually all common SNPs in the region and offered a fivefold increase in marker density over HapMap2 (ref. 2) as an imputation reference panel. Our fine-mapping approach identified a SNP showing the highest significance, rs55853698, located within the promoter region of CHRNA5. Conditional analysis also identified a secondary locus (rs6495308) in CHRNA3.

Lien entre les matrices de transfert de spins et de boucles du modèle de Potts sur le tore

Le lien entre le spectre de la matrice de transfert de la formulation de spins du modèle de Potts critique et celui de la matrice de transfert double-ligne de la formulation de boucles est établi. La relation entre la trace des deux opérateurs est obtenue dans deux représentations de l'algèbre de Temperley-Lieb cyclique, dont la matrice de transfert de boucles est un élément. Le résultat est exprimé en termes des traces modifiées, qui correspondent à des traces effectuées dans le sous-espace de l'espace de représentation des N-liens se transformant selon la m ième représentation irréductible du groupe cyclique. Le mémoire comporte trois chapitres. Dans le premier chapitre, les résultats essentiels concernant les formulations de spins et de boucles du modèle de Potts sont rappelés. Dans le second chapitre, les propriétés de l'algèbre de Temperley-Lieb cyclique et de ses représentations sont étudiées. Enfin, le lien entre les deux traces est construit dans le troisième chapitre. Le résultat final s'apparente à celui obtenu par Richard et Jacobsen en 2007, mais une nouvelle représentation n'ayant pas été étudiée est aussi investiguée.

Équations différentielles issues des vecteurs singuliers des représentations de l'algèbre de Virasoro

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La structure de Jordan des matrices de transfert des modèles de boucles et la relation avec les hamiltoniens XXZ

Les modèles sur réseau comme ceux de la percolation, d’Ising et de Potts servent à décrire les transitions de phase en deux dimensions. La recherche de leur solution analytique passe par le calcul de la fonction de partition et la diagonalisation de matrices de transfert. Au point critique, ces modèles statistiques bidimensionnels sont invariants sous les transformations conformes et la construction de théories des champs conformes rationnelles, limites continues des modèles statistiques, permet un calcul de la fonction de partition au point critique. Plusieurs chercheurs pensent cependant que le paradigme des théories des champs conformes rationnelles peut être élargi pour inclure les modèles statistiques avec des matrices de transfert non diagonalisables. Ces modèles seraient alors décrits, dans la limite d’échelle, par des théories des champs logarithmiques et les représentations de l’algèbre de Virasoro intervenant dans la description des observables physiques seraient indécomposables. La matrice de transfert de boucles D_N(λ, u), un élément de l’algèbre de Temperley- Lieb, se manifeste dans les théories physiques à l’aide des représentations de connectivités ρ (link modules). L’espace vectoriel sur lequel agit cette représentation se décompose en secteurs étiquetés par un paramètre physique, le nombre d de défauts. L’action de cette représentation ne peut que diminuer ce nombre ou le laisser constant. La thèse est consacrée à l’identification de la structure de Jordan de D_N(λ, u) dans ces représentations. Le paramètre β = 2 cos λ = −(q + 1/q) fixe la théorie : β = 1 pour la percolation et √2 pour le modèle d’Ising, par exemple. Sur la géométrie du ruban, nous montrons que D_N(λ, u) possède les mêmes blocs de Jordan que F_N, son plus haut coefficient de Fourier. Nous étudions la non diagonalisabilité de F_N à l’aide des divergences de certaines composantes de ses vecteurs propres, qui apparaissent aux valeurs critiques de λ. Nous prouvons dans ρ(D_N(λ, u)) l’existence de cellules de Jordan intersectorielles, de rang 2 et couplant des secteurs d, d′ lorsque certaines contraintes sur λ, d, d′ et N sont satisfaites. Pour le modèle de polymères denses critique (β = 0) sur le ruban, les valeurs propres de ρ(D_N(λ, u)) étaient connues, mais les dégénérescences conjecturées. En construisant un isomorphisme entre les modules de connectivités et un sous-espace des modules de spins du modèle XXZ en q = i, nous prouvons cette conjecture. Nous montrons aussi que la restriction de l’hamiltonien de boucles à un secteur donné est diagonalisable et trouvons la forme de Jordan exacte de l’hamiltonien XX, non triviale pour N pair seulement. Enfin nous étudions la structure de Jordan de la matrice de transfert T_N(λ, ν) pour des conditions aux frontières périodiques. La matrice T_N(λ, ν) a des blocs de Jordan intrasectoriels et intersectoriels lorsque λ = πa/b, et a, b ∈ Z×. L’approche par F_N admet une généralisation qui permet de diagnostiquer des cellules intersectorielles dont le rang excède 2 dans certains cas et peut croître indéfiniment avec N. Pour les blocs de Jordan intrasectoriels, nous montrons que les représentations de connectivités sur le cylindre et celles du modèle XXZ sont isomorphes sauf pour certaines valeurs précises de q et du paramètre de torsion v. En utilisant le comportement de la transformation i_N^d dans un voisinage des valeurs critiques (q_c, v_c), nous construisons explicitement des vecteurs généralisés de Jordan de rang 2 et discutons l’existence de blocs de Jordan intrasectoriels de plus haut rang.

Études de l’effet tunnel des spins quantiques macroscopiques

Dans cette thèse, nous présentons quelques analyses théoriques récentes ainsi que des observations expérimentales de l’effet tunnel quantique macroscopique et des tran- sitions de phase classique-quantique dans le taux d’échappement des systèmes de spins élevés. Nous considérons les systèmes de spin biaxial et ferromagnétiques. Grâce à l’approche de l’intégral de chemin utilisant les états cohérents de spin exprimés dans le système de coordonnées, nous calculons l’interférence des phases quantiques et leur distribution énergétique. Nous présentons une exposition claire de l’effet tunnel dans les systèmes antiferromagnétiques en présence d’un couplage d’échange dimère et d’une anisotropie le long de l’axe de magnétisation aisé. Nous obtenons l’énergie et la fonc- tion d’onde de l’état fondamentale ainsi que le premier état excité pour les systèmes de spins entiers et demi-entiers impairs. Nos résultats sont confirmés par un calcul utilisant la théorie des perturbations à grand ordre et avec la méthode de l’intégral de chemin qui est indépendant du système de coordonnées. Nous présentons aussi une explica- tion claire de la méthode du potentiel effectif, qui nous laisse faire une application d’un système de spin quantique vers un problème de mécanique quantique d’une particule. Nous utilisons cette méthode pour analyser nos modèles, mais avec la contrainte d’un champ magnétique externe ajouté. La méthode nous permet de considérer les transitions classiques-quantique dans le taux d’échappement dans ces systèmes. Nous obtenons le diagramme de phases ainsi que les températures critiques du passage entre les deux régimes. Nous étendons notre analyse à une chaine de spins d’Heisenberg antiferro- magnétique avec une anisotropie le long d’un axe pour N sites, prenant des conditions frontière périodiques. Pour N paire, nous montrons que l’état fondamental est non- dégénéré et donné par la superposition des deux états de Néel. Pour N impair, l’état de Néel contient un soliton, et, car la position du soliton est indéterminée, l’état fondamen- tal est N fois dégénéré. Dans la limite perturbative pour l’interaction d’Heisenberg, les fluctuations quantiques lèvent la dégénérescence et les N états se réorganisent dans une bande. Nous montrons qu’à l’ordre 2s, où s est la valeur de chaque spin dans la théorie des perturbations dégénérées, la bande est formée. L’état fondamental est dégénéré pour s entier, mais deux fois dégénéré pour s un demi-entier impair, comme prévu par le théorème de Kramer

Étude du champ magnétique interne de deux matériaux magnétiques et d'un supraconducteur sans symétrie d'inversion.

Cette thèse est divisée en trois parties. Une première section présente les résultats de l'étude de la formation de polarons magnétiques liés (BMP) dans le ferroaimant EuB6 par diffusion de neutrons à petits angles (SANS). La nature magnétique du système ferromagnétique est observée sous une température critique de 15K. La signature des BMP n'apparaît pas dans la diffusion de neutrons, mais ces mesures permettent de confirmer une limite inférieure de 100\AA à la longueur de cohérence des BMP (xi_{Lower}). Dans un second temps, l'étude du LaRhSi3, un supraconducteur sans symétrie d'inversion, par muSR et ZF-muSR nous permet de sonder le comportement magnétique du système dans la phase supraconductrice. Aucun champ magnétique interne n'a été détecté en ZF-muSR sous la température critique (T_c = 2.2K). Cela indique que la phase supraconductrice ne porte pas de moment cinétique intrinsèque. L'analyse du spectre d'asymétrie sous l'application d'un champ magnétique externe nous apprend que le système est faiblement type II par l'apparition de la signature de domaines magnétiques typique d'un réseau de vortex entre H_{c1}(0) et H_{c2}(0), respectivement de 80+/- 5 et 169.0 +/- 0.5 G. Finalement, la troisième section porte sur l'étude du champ magnétique interne dans l'antiferroaimant organique NIT-2Py. L'observation d'une dépendance en température des champs magnétiques internes aux sites d'implantation muonique par ZF-muSR confirme la présence d'une interaction à longue portée entre les moments cinétiques moléculaires. Ces valeurs de champs internes, comparées aux calculs basés sur la densité de spins obtenue par calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité, indiquent que la moitié des molécules se dimérisent et ne contribuent pas à l'ordre antiferromagnétique. La fraction des molécules contribuant à l'ordre antiferromagnétique sous la température critique (T_c = 1.33 +/- 0.01K) forme des chaines uniformément polarisées selon l'axe (1 0 -2). Ces chaines interagissent antiferromagnétiquement entre elles le long de l'axe (0 1 0) et ferromagnétiquement entre les plan [-1 0 2].

Monte Carlo simulation of interface alloying

An Ising-like model, with interactions ranging up to next-nearest-neighbor pairs, is used to simulate the process of interface alloying. Interactions are chosen to stabilize an intermediate "antiferromagnetic" ordered structure. The dynamics proceeds exclusively by atom-vacancy exchanges. In order to characterize the process, the time evolution of the width of the intermediate ordered region and the diffusion length is studied. Both lengths are found to follow a power-law evolution with exponents depending on the characteristic features of the model.

Monte Carlo Study of the Growth of L12 ordered domains in fcc A3B binary alloys

A Monte Carlo study of the late time growth of L12-ordered domains in a fcc A3B binary alloy is presented. The energy of the alloy has been modeled by a nearest-neighbor interaction Ising Hamiltonian. The system exhibits a fourfold degenerated ground state and two kinds of interfaces separating ordered domains: flat and curved antiphase boundaries. Two different dynamics are used in the simulations: the standard atom-atom exchange mechanism and the more realistic vacancy-atom exchange mechanism. The results obtained by both methods are compared. In particular we study the time evolution of the excess energy, the structure factor and the mean distance between walls. In the case of atom-atom exchange mechanism anisotropic growth has been found: two characteristic lengths are needed in order to describe the evolution. Contrarily, with the vacancyatom exchange mechanism scaling with a single length holds. Results are contrasted with existing experiments in Cu3Au and theories for anisotropic growth.

Dissipation in quasistatically driven disordered systems

This work presents an analysis of hysteresis and dissipation in quasistatically driven disordered systems. The study is based on the random field Ising model with fluctuationless dynamics. It enables us to sort out the fraction of the energy input by the driving field stored in the system and the fraction dissipated in every step of the transformation. The dissipation is directly related to the occurrence of avalanches, and does not scale with the size of Barkhausen magnetization jumps. In addition, the change in magnetic field between avalanches provides a measure of the energy barriers between consecutive metastable states