Phénomènes émergents et topologiques dans les systèmes BKT sur réseau

Topological and Emergent Phenomena in Lattice BKT Systems

• Auteur / Autrice : Michael Faulkner
• Direction : Peter Holdsworth, Steven Bramwell
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/03/2015
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure en cotutelle avec University College (Londres)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Ian Ford
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Peter Holdsworth, Steven Bramwell, Ian Ford, Anthony Maggs, Stephen Powell, Tommaso Roscilde
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anthony Maggs, Stephen Powell

Mots clés

Mots clés contrôlés

Films magnétiques

Mots clés libres

Transition de phase BKT

Gaz de Coulomb bi-dimensionnel

Modèle 2D-XY

Électrostatique émergent

Films magnétiques

Films superfluides

Défauts topologiques

Indice d’un point par rapport à un lacet

Exposant critique effectif de la théorie de Bramwell-Holdsworth

BKT transition

Two-dimensional Coulomb gas

2D-XY model

Emergent electrostatics

Magnetic films

Superfluid films

Topological defects

Winding numbers

Bramwell-Holdsworth effective critical exponent

Résumé

Cette thèse s'intéresse aux phénomènes électrostatiques émergents dans les modèles magnétiques toroïdaux bi-dimensionnels à symétrie XY, fournissant ainsi un support pour de plus amples recherches dans le domaine de la transition de phase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT).Dans de nombreux systèmes bi-dimensionnels, dont le modèle bi-dimensionnel XY du magnétisme, la transition BKT contrôle la dissociation thermique de paires de défauts topologiques liés. Le modèle XY est analogue au gaz de Coulomb bi-dimensionnel, à ceci près qu'il peut être simulé sans avoir à modéliser les interactions à longue distance du système Coulombien. Cette thèse élucide ce paradoxe en démontrant que l'approximation de Villain appliquée au modèle XY est strictement équivalente au modèle électrostatique de Maggs-Rossetto (MR) appliqué au système Coulombien bi-dimensionnel.Cette équivalence est utilisée pour sonder la transition BKT par l'application de l'algorithme MR au gaz de Coulomb bi-dimensionel. En simulant le système Coulombien, il est prouvé que les fluctuations dans l'organisation des charges autour du tore sont activées à la température de transition BKT. Ces fluctuations du champ électrique indiquent ainsi la phase de haute température de la transition.Il est ensuite montré que l'exposant critique effectif de la théorie de Bramwell-Holdsworth (BH) peut être mesuré dans les films d'hélium 4 superfluide, qui correspondent à des gaz de Coulomb effectifs dans la limite de systèmes de grandes tailles finies.

This thesis addresses the emergent electrostatics of two-dimensional, toroidal magnetic models that possess XY symmetry, providing a platform for novel investigations into the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) phase transition.The BKT transition drives the thermal dissociation of bound pairs of topological defects in many two-dimensional systems, including the two-dimensional XY model of magnetism. The XY model is closely analogous to the two-dimensional Coulomb gas, but can be simulated without computing the long-range interactions of the Coulombic system. This thesis elucidates this paradox by showing that Villain's approximation to the XY model is strictly equivalent to the Maggs-Rossetto (MR) electrostatic model when applied to the two-dimensional Coulomb gas.The mapping is used to probe the BKT transition through the application of the MR algorithm to the two-dimensional Coulomb gas. By simulating the Coulombic system, fluctuations in the winding of charges around the torus are shown to turn on at the BKT transition temperature. These topological-sector fluctuations in the electric field therefore signal the high-temperature phase of the transition.It is then shown that the effective critical exponent of Bramwell-Holdsworth (BH) theory can be measured in superfluid 4He films, which correspond to effective Coulomb gases in the limit of large but finite system size. With the Coulombic system taken as the base BKT system, it is inferred that BH theory is a general property of BKT systems.