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.

Exposants géométriques des modèles de boucles dilués et idempotents des TL-modules de la chaîne de spins XXZ

Cette thèse porte sur les phénomènes critiques survenant dans les modèles bidimensionnels sur réseau. Les résultats sont l'objet de deux articles : le premier porte sur la mesure d'exposants critiques décrivant des objets géométriques du réseau et, le second, sur la construction d'idempotents projetant sur des modules indécomposables de l'algèbre de Temperley-Lieb pour la chaîne de spins XXZ. Le premier article présente des expériences numériques Monte Carlo effectuées pour une famille de modèles de boucles en phase diluée. Baptisés "dilute loop models (DLM)", ceux-ci sont inspirés du modèle O(n) introduit par Nienhuis (1990). La famille est étiquetée par les entiers relativement premiers p et p' ainsi que par un paramètre d'anisotropie. Dans la limite thermodynamique, il est pressenti que le modèle DLM(p,p') soit décrit par une théorie logarithmique des champs conformes de charge centrale c(\kappa)=13-6(\kappa+1/\kappa), où \kappa=p/p' est lié à la fugacité du gaz de boucles \beta=-2\cos\pi/\kappa, pour toute valeur du paramètre d'anisotropie. Les mesures portent sur les exposants critiques représentant la loi d'échelle des objets géométriques suivants : l'interface, le périmètre externe et les liens rouges. L'algorithme Metropolis-Hastings employé, pour lequel nous avons introduit de nombreuses améliorations spécifiques aux modèles dilués, est détaillé. Un traitement statistique rigoureux des données permet des extrapolations coïncidant avec les prédictions théoriques à trois ou quatre chiffres significatifs, malgré des courbes d'extrapolation aux pentes abruptes. Le deuxième article porte sur la décomposition de l'espace de Hilbert \otimes^nC^2 sur lequel la chaîne XXZ de n spins 1/2 agit. La version étudiée ici (Pasquier et Saleur (1990)) est décrite par un hamiltonien H_{XXZ}(q) dépendant d'un paramètre q\in C^\times et s'exprimant comme une somme d'éléments de l'algèbre de Temperley-Lieb TL_n(q). Comme pour les modèles dilués, le spectre de la limite continue de H_{XXZ}(q) semble relié aux théories des champs conformes, le paramètre q déterminant la charge centrale. Les idempotents primitifs de End_{TL_n}\otimes^nC^2 sont obtenus, pour tout q, en termes d'éléments de l'algèbre quantique U_qsl_2 (ou d'une extension) par la dualité de Schur-Weyl quantique. Ces idempotents permettent de construire explicitement les TL_n-modules indécomposables de \otimes^nC^2. Ceux-ci sont tous irréductibles, sauf si q est une racine de l'unité. Cette exception est traitée séparément du cas où q est générique. Les problèmes résolus par ces articles nécessitent une grande variété de résultats et d'outils. Pour cette raison, la thèse comporte plusieurs chapitres préparatoires. Sa structure est la suivante. Le premier chapitre introduit certains concepts communs aux deux articles, notamment une description des phénomènes critiques et de la théorie des champs conformes. Le deuxième chapitre aborde brièvement la question des champs logarithmiques, l'évolution de Schramm-Loewner ainsi que l'algorithme de Metropolis-Hastings. Ces sujets sont nécessaires à la lecture de l'article "Geometric Exponents of Dilute Loop Models" au chapitre 3. Le quatrième chapitre présente les outils algébriques utilisés dans le deuxième article, "The idempotents of the TL_n-module \otimes^nC^2 in terms of elements of U_qsl_2", constituant le chapitre 5. La thèse conclut par un résumé des résultats importants et la proposition d'avenues de recherche qui en découlent.

Quantum teleportation via a two-qubit Heisenberg XXZ chain - effects of anisotropy and magnetic field

We study quantum teleportation via a two-qubit Heisenberg XXZ, chain under an inhomogeneous magnetic field. We first consider entanglement teleportation, and then focus on the teleportation fidelity under different conditions. The effects of anisotropy and the magnetic field, both uniform and inhomogeneous, are discussed. We also find that, though entanglement teleportation does require an entangled quantum channel, a nonzero critical value of minimum entanglement is not always necessary.

Thermal entanglement in a two-qubit Heisenberg XXZ spin chain under an inhomogeneous magnetic field

The thermal entanglement in a two-qubit Heisenberg XXZ spin chain is investigated under an inhomogeneous magnetic field b. We show that the ground-state entanglement is independent of the interaction of z-component J(z). The thermal entanglement at the fixed temperature can be enhanced when J(z) increases. We strictly show that for any temperature T and J(z), the entanglement is symmetric with respect to zero inhomogeneous magnetic field, and the critical inhomogeneous magnetic field b(c) is independent of J(z). The critical magnetic field B-c increases with the increasing parallel to b parallel to but the maximum entanglement value that the system can arrive at becomes smaller.

SWAP operation in the two-qubit Heisenberg XXZ model: Effects of anisotropy and magnetic field

In this paper we study the SWAP operation in a two-qubit anisotropic XXZ model in the presence of an inhomogeneous magnetic field. We establish the range of anisotropic parameter lambda within which the SWAP operation is feasible. The SWAP errors caused by the inhomogeneous field are evaluated.

A two-body study of dynamical expansion in the XXZ spin chain and equivalent interacting fermion models

Lo scopo di questa tesi è studiare l'espansione dinamica di due fermioni interagenti in una catena unidimensionale cercando di definire il ruolo degli stati legati durante l'evoluzione temporale del sistema. Lo studio di questo modello viene effettuato a livello analitico tramite la tecnica del Bethe ansatz, che ci fornisce autovalori ed autovettori dell'hamiltoniana, e se ne valutano le proprietà statiche. Particolare attenzione è stata dedicata alle caratteristiche dello spettro al variare dell'interazione tra le due particelle e alle caratteristiche degli autostati. Dalla risoluzione dell'equazione di Bethe vengono ricercate le soluzioni che danno luogo a stati legati delle due particelle e se ne valuta lo spettro energetico in funzione del momento del centro di massa. Si è studiato inoltre l'andamento del numero delle soluzioni, in particolare delle soluzioni che danno luogo ad uno stato legato, al variare della lunghezza della catena e del parametro di interazione. La valutazione delle proprietà dinamiche del modello è stata effettuata tramite l'utilizzo dell'algoritmo t-DMRG (time dependent - Density Matrix Renormalization Group). Questo metodo numerico, che si basa sulla decimazione dello spazio di Hilbert, ci permette di avere accesso a quantità che caratterizzano la dinamica quali la densità e la velocità di espansione. Da queste sono stati estratti i proli dinamici della densità e della velocità di espansione al variare del valore del parametro di interazione.

Quantum solitons in the XXZ model with staggered external magnetic field

The 1-D 1/2-spin XXZ model with staggered external magnetic field, when restricting to low field, can be mapped into the quantum sine-Gordon model through bosonization: this assures the presence of soliton, antisoliton and breather excitations in it. In particular, the action of the staggered field opens a gap so that these physical objects are stable against energetic fluctuations. In the present work, this model is studied both analytically and numerically. On the one hand, analytical calculations are made to solve exactly the model through Bethe ansatz: the solution for the XX + h staggered model is found first by means of Jordan-Wigner transformation and then through Bethe ansatz; after this stage, efforts are made to extend the latter approach to the XXZ + h staggered model (without finding its exact solution). On the other hand, the energies of the elementary soliton excitations are pinpointed through static DMRG (Density Matrix Renormalization Group) for different values of the parameters in the hamiltonian. Breathers are found to be in the antiferromagnetic region only, while solitons and antisolitons are present both in the ferromagnetic and antiferromagnetic region. Their single-site z-magnetization expectation values are also computed to see how they appear in real space, and time-dependent DMRG is employed to realize quenches on the hamiltonian parameters to monitor their time-evolution. The results obtained reveal the quantum nature of these objects and provide some information about their features. Further studies and a better understanding of their properties could bring to the realization of a two-level state through a soliton-antisoliton pair, in order to implement a qubit.

Dynamics of the Heisenberg XXZ model across the ferromagnetic transition

In questa tesi viene presentata un'analisi numerica dell'evoluzione dinamica del modello di Heisenberg XXZ, la cui simulazione è stata effettuata utilizzando l'algoritmo che va sotto il nome di DMRG. La transizione di fase presa in esame è quella dalla fase paramagnetica alla ferromagnetica: essa viene simulata in una catena di 12 siti per vari tempi di quench. In questo modo si sono potuti esplorare diversi regimi di transizione, da quello istantaneo al quasi-adiabatico. Come osservabili sono stati scelti l'entropia di entanglement, la magnetizzazione di mezza catena e lo spettro dell'entanglement, particolarmente adatti per caratterizzare la fisica non all'equilibrio di questo tipo di sistemi. Lo scopo dell'analisi è tentare una descrizione della dinamica fuori dall'equilibrio del modello per mezzo del meccanismo di Kibble-Zurek, che mette in relazione la sviluppo di una fase ordinata nel sistema che effettua la transizione quantistica alla densità di difetti topologici, la cui legge di scala è predicibile e legata agli esponenti critici universali caratterizzanti la transizione.

Exact solution of the XXZ Gaudin model with generic open boundaries

The XXZ Gaudin model with generic integrable boundaries specified by generic non-diagonal K-matrices is studied. The commuting families of Gaudin operators are diagonalized by the algebraic Bethe ansatz method. The eigenvalues and the corresponding Bethe ansatz equations are obtained. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

One-dimensional fermions with incommensuration close to dimerization

We study a model of fermions hopping on a chain with a weak incommensuration close to dimerization; both q, the deviation of the wave number from pi, and delta, the strength of the incommensuration, are assumed to be small. For free fermions, we show that there are an infinite number of energy bands which meet at zero energy as q approaches zero. The number of states lying inside the q = 0 gap remains nonzero as q/delta --> 0. Thus the limit q --> 0 differs from q = 0, as can be seen clearly in the low-temperature specific heat. For interacting fermions or the XXZ spin-(1/2) chain, we use bosonization to argue that similar results hold. Finally, our results can be applied to the Azbel-Hofstadter problem of particles hopping on a two-dimensional lattice in the presence of a magnetic field.

Magnetization properties of some quantum spin ladders

The experimental realization of various spin ladder systems has prompted their detailed theoretical investigations. Hen we study the evolution of ground-state magnetization with an external magnetic field for two different antiferromagnetic systems: a three-legged spin-1/2 ladder, and a two-legged spin-1/2 ladder with an additional diagonal interaction. The finite system density-matrix renormalization-group method is employed for numerical studies of the three-chain system, and an effective low-energy Hamiltonian is used in the limit of strong interchain coupling to study the two- and three-chain systems. The three-chain system has a magnetization plateau at one-third of the saturation magnetization. The two-chain system has a plateau at zero magnetization due to a gap above the singlet ground state. It also has a plateau at half of the saturation magnetization for a certain range of values of the couplings. We study the regions of transitions between plateaus numerically and analytically, and find that they are described, at first order in a strong-coupling expansion, by an XXZ spin-1/2 chain in a magnetic field; the second-order terms give corrections to the XXZ model, We also study numerically some low-temperature properties of the three-chain system, such as the magnetization, magnetic susceptibility and specific heat. [S0163-1829(99)303001-5].

Geometric phase of a bipartite system with Dzyaloshinski-Moriya interaction

The Berry phase of a bipartite system described by a Heisenberg XXZ model driven by a one-site magnetic field is investigated. The effect of the Dzyaloshinski-Moriya (DM) anisotropic interaction on the Berry phase is discussed. It is found that the DM interaction affects the Berry phase monotonously. and can also cause sudden change of the Berry phase for some weak magnetic field cases. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

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.

Long-range multipartite entanglement close to a first-order quantum phase transition

We provide insight into the quantum correlations structure present in strongly correlated systems beyond the standard framework of bipartite entanglement. To this aim we first exploit rotationally invariant states as a test bed to detect genuine tripartite entanglement beyond the nearest neighbor in spin-1/2 models. Then we construct in a closed analytical form a family of entanglement witnesses which provides a sufficient condition to determine if a state of a many-body system formed by an arbitrary number of spin-1/2 particles possesses genuine tripartite entanglement, independently of the details of the model. We illustrate our method by analyzing in detail the anisotropic XXZ spin chain close to its phase transitions, where we demonstrate the presence of long-range multipartite entanglement near the critical point and the breaking of the symmetries associated with the quantum phase transition.

Case study of the uniaxial anisotropic spin-1 bilinear-biquadratic Heisenberg model on a triangular lattice

We study the spin-1 model on a triangular lattice in the presence of a uniaxial anisotropy field using a cluster mean-field (CMF) approach. The interplay among antiferromagnetic exchange, lattice geometry, and anisotropy forces Gutzwiller mean-field approaches to fail in a certain region of the phase diagram. There, the CMF method yields two supersolid phases compatible with those present in the spin-1/2 XXZ model onto which the spin-1 system maps. Between these two supersolid phases, the three-sublattice order is broken and the results of the CMF approach depend heavily on the geometry and size of the cluster. We discuss the possible presence of a spin liquid in this region.