Description du sujet de thèse

Ce travail de thèse étudiera le rôle des symétries généralisées en physique de la matière condensée selon deux axes principaux.
1. Altermagnétisme, topologie et symétries de spin. Ce projet vise à explorer les conséquences des symétries spin-espace en physique de la matière condensée. Les symétries de spin sont des généralisations des symétries magnétiques, essentielles pour décrire les phases magnétiques de la matière à faible couplage spin-orbite. Elles sous-tendent par exemple l'altermagnétisme, un sujet d'actualité majeur pour les physiciens de la matière condensée. Nous avons récemment adapté la théorie de Landau à l'altermagnétisme [1], ce qui a permis de mieux comprendre les paramètres d'ordre altermagnétiques sous-jacents, de fournir une classification de ces systèmes basée sur la symétrie de spin et de fournir un outil prédictif pour guider les travaux expérimentaux dans ce domaine [2]. Nous avons également exploré la théorie fondamentale des groupes de ces symétries élargies, dont les groupes altermagnetiques constituent un sous-ensemble de tous les groupes de spin possibles [3]. Dans le cadre de ce projet de doctorat, nous nous concentrerons principalement sur l'influence des symétries de spin sur la topologie des structures de bandes, notamment les bandes de magnons, et sur les implications de ces symétries pour la matière quantique en interaction forte. Bien que le projet soit principalement théorique, des collaborations avec des expérimentateurs travaillant sur les matériaux altermagnétiques et les magnons topologiques seront possibles.
2. Symétries généralisées, théories de jauge sur réseau et liquides de spin quantiques. L'expression « symétries généralisées » désigne souvent, par exemple, les symétries de forme supérieure et non inversibles, qui ont de profondes implications en physique de la matière condensée et des hautes énergies. Dans ce projet, nous étudierons principalement les théories de jauge sur réseau couplées à la matière scalaire, tant dans le régime déconfiné que dans le régime de Higgs. Des travaux récents ont mis en évidence des liens entre les phases topologiques protégées par la symétrie et le régime de Higgs dans les cas limites où une partie de la symétrie protectrice est une symétrie de forme supérieure [4]. Ce schéma s'applique parfaitement aux théories de jauge Z2 et U(1). Pour les théories de jauge non abéliennes, la situation est plus complexe, certains signes indiquant de forts parallèles avec les cas mieux compris [5]. Une question clé motivant ce travail est de savoir si l'on peut généraliser l'image SPT-Higgs à toutes les théories de jauge. Plus largement, nous étudions les symétries généralisées et leurs implications sur le diagramme de phase de la théorie, y compris les phases déconfinées. Ce travail est lié à divers systèmes concrets inspirés de la matière condensée, notamment les liquides de spin quantiques dans lesquels les théories de jauge émergent à basse énergie.

Mots clés – Keywords : Altermagnetism, Gauge theories, Representation theory, Spin liquids

[1] McClarty and Rau, Landau theory of altermagnetism Phys. Rev. Lett. 132, 176702 (2024)
[2] Schiff, McClarty, Rau, Romhányi, Collinear Altermagnets and their Landau Theories arXiv:2412.18025
[3] Schiff, Corticelli, Guerreiro, Romhányi, McClarty The crystallographic spin point groups and their representations Scipost Physics 18,109 (2025)
[4] Verresen, Borla, Vishwanath, Moroz, Thorngren, Higgs Condensates are Symmetry-Protected Topological Phases: I. Discrete Symmetries arXiv:2211.01376; Thorngren, Rakovszky, Verresen, Vishwanath, Higgs Condensates are Symmetry-Protected Topological Phases: II. U(1) Gauge Theory and Superconductors, arXiv:2303.08136
[5] Chung, Flores-Calderón, Torres, Ribeiro, Moroz, McClarty, Higgs Phases and Boundary Criticality, arXiv:2404.17001

Contexte de travail

Physique théorique de la matière condensée
1. L'altermagnétisme est l'un des domaines de la physique moderne de la matière condensée qui progresse le plus rapidement. Pour une revue, voir Phys. Rev. X 12,040501. Au cœur du phénomène se trouve l'ensemble des symétries magnéto-cristallines à couplage spin-orbite nul. Il s'agit des symétries de spins. Elles sont faiblement brisées dans les matériaux altermagnétiques réels, mais une séparation des échelles d'énergie garantit qu'elles déterminent néanmoins les propriétés brutes de la matière à couplage spin-orbite faible. Au LLB, nous avons un groupe actif qui explore la physique de ces systèmes, tant du point de vue théorique qu'expérimental.
2. Les symétries généralisées ont captivé l'imagination des théoriciens dans de nombreux domaines, car elles offrent une perspective nouvelle et plus profonde sur la physique établie, comme les phases des théories de jauge, et ouvrent de multiples voies à la nouvelle physique. Pour une revue récente, voir : https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev-conmatphys-040721-021029

Inscription prévue à l'école doctorale locale EDPIF

Salaire normal d'un étudiant en doctorat et installations informatiques et de laboratoire

Contraintes et risques

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