Topological Phases and Majorana Fermions

par Loïc Herviou

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Karyn Le Hur et de Christophe Mora.

Soutenue le 08-09-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Centre de physique théorique (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) et de École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (Établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Hubert Saleur.

Le jury était composé de Christophe Mora, Philippe Lecheminant, Pascal Simon.

Les rapporteurs étaient Frank Pollmann, Julia Meyer.

  • Titre traduit

    Phases topologiques et fermions de Majorana


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous étudions d'un point de vue théorique différents aspects de la matière topologique. Ces systèmes présentent des propriétés résistantes aux éventuelles perturbations grâce à une topologie non-triviale de leur structure de bandes. En particulier, des excitations exotiques, par exemple des fermions de Majorana, peuvent apparaitre à leurs bords.L'entropie d'intrication, ainsi que le spectre d'intrication ont été fondamentaux dans l'étude théorique de ces systèmes, et plus généralement des phases libres. Il est cependant difficile de les mesurer expérimentalement. L'étude des fluctuations de charge bipartites a été proposée afin de remédier à ce problème, et celles-ci permettent une mesure faible de l'intrication, en particulier pour des modèles unidimensionnels libres. Nous généralisons les précédents travaux sur les Liquides de Luttinger à des familles génériques de supraconducteurs et isolants topologiques en une et deux dimensions, systèmes dans lesquels la charge observée n'est plus conservée. Nous montrons que les transitions de phases topologiques sont caractérisées par certains coefficients universels dans les fluctuations et les fonctions de corrélations. Les systèmes bidimensionnels que nous étudions présentent des cônes de Dirac, et ces coefficients dépendent de leur enroulement. Cela nous permet de caractériser la topologie de ces points critiques. Dans tous les cas, les fluctuations suivent une loi de volume, qui a un comportement non-analytique aux transition de phase.Dans un second temps, nous nous intéressons aux systèmes en interactions. Nous montrons tout d'abord que certaines des signatures des transitions topologiques survivent en leur présence, dans les supraconducteurs topologiques. Nous étudions ensuite le diagramme de phase de deux fils supraconducteurs couplés par une interaction Coulombienne. Celle-ci mène à la création de phases exotiques grâce à la compétition avec la supraconductivité non-conventionnelle. Nous montrons en particulier l'apparition de phases de Mott brisant spontanément la symétrie de renversement du temps et présentant des courant orbitaux non-triviaux, ainsi que celle d'une phase de fermions libres, qui est l'extension de deux chaînes de Majorana critiques en interaction.Enfin, nous nous intéressons aux effets de la présence de fermions de Majorana sur le transport électronique. Nous étudions un îlot supraconducteur où plusieurs de ces fermions existent. Ce système pourrait être l'un des composants élémentaires d'un éventuel ordinateur quantique. Les fermions de Majorana changent les statistiques d'échange des porteurs de charges, ce qui se traduit par une fractionnalisation de la conductance. Celle-ci se révèle très robuste face aux anisotropies et autres perturbations. Nous étendons les études précédentes au cas où le nombre d'électrons dans la boîte peut fluctuer, et montrons l'équivalence de ce problème avec le modèle Kondo à plusieurs canaux. Nous réinterprétons alors ce modèle en terme du déplacement d'une particule dans un réseau fictif dissipatif.


  • Résumé

    In this thesis, we study theoretically different aspects of topological systems. These models present resilient properties due to a non-trivial topology of their band structures, and in particular exotic edge excitations such as Majorana fermions.Entanglement entropy and entanglement spectrum have been fundamental to the study of these systems and of gapless systems in general, but are difficult to measure experimentally. Bipartite charge fluctuations were proposed as a weak measurement of this entanglement, in particular for one-dimensional gapless phases. We extend previous results on standard Luttinger Liquids to generic families of one- and two-dimensional non-interacting topological systems. Through exact computations, we show that their critical points are characterized by universal coefficients that reveal the topological aspect of the transitions. In two dimensions, the Dirac cones give quantized contributions to the fluctuations and various correlation functions. These contributions depend on their winding numbers, allowing for a precise determination of the topological structure of the gapless points. A volume law is also present and linked to the Quantum Fisher information, with characteristic non-analyticities at the phase transitions.In a second time, we include interactions and show that some of these signatures are preserved in topological superconductors even in their presence. Through analytical (bosonization, renormalization group) and numerical (exact diagonalization and DMRG) methods, we study the phase diagram of two Coulomb-coupled topological superconducting wires. We are interested in their behavior when the interactions are strong enough to break the topological protection: the interplay between unconventional superconductivity and interactions leads to exotic phases. We show the appearance of phases spontaneously breaking the time-reversal symmetry, with non-trivial orbital currents, and of an unusual gapless phase that is the extension of two critical interacting Majorana modes.Finally, we are interested in electronic transport mediated by Majorana fermions. We study a floating superconducting island carrying several such impurities. This device is thought to be a potential building block for a quantum computer. The Majorana fermions affect the statistics of the charge carriers, which leads to very resilient fractionalized transport. We extend previous studies to the charge degenerate case, where the total number of fermions in the island is not fixed, and map it to the well-known Multi-Channel Kondo model at large interaction. We reinterpret this standard model in terms of a particle moving in a highly dimensional, dissipative lattice.


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