Edge states and supersymmetric sigma models

A fundamental property of the quantum Hall effect is the presence of edge states at the boundary of the sample, robust against localization and responsible for the perfect quantization of the Hall conductance. The transition between integer quantum Hall plateaus is a delocalization transition, which can be identified as a strong-coupling fixed point of a 1 + 1-dimensional supersymmetric sigma model with topological theta-term. The conformal field theory describing this transition displays unusual features such as non-unitarity, and resisted any attempt of solution so far. In this thesis we investigate the role of edge states at quantum Hall transitions using lattice discretizations of super sigma models. Edge states correspond to twisted boundary conditions for the fields, which can be discretized as quantum spin chains or geometrical (loop) models. For the spin quantum Hall effect, a counterpart of the integer quantum Hall effect for spin transport (class C), our techniques allow the exact computation of critical exponents of the boundary conformal field theories describing higher plateaus transitions. Our predictions for the mean spin conductance are validated by extensive numerical simulations of the related localization problems. Envisaging applications to transport in network models of 2 + 1-dimensional disordered electrons, and to quenches in one-dimensional gapless quantum systems, in this thesis we have also developed a new formalism for dealing with partition functions of critical systems in rectangular geometries. As an application, we derive formulas for probabilities of self-avoiding walks.Une propriété fondamentale de l'effet Hall quantique est la présence des états de bord. Ils résistent á la localisation et sont responsables de la quantification parfaite de la conductance de Hall. La transition entre les plateaux d'effet Hall quantique entier est une transition de délocalisation, qui peut être identifiée comme un point fixe de couplage fort d'un modèle sigma supersymétrique en 1+1-dimensions avec terme topologique theta. La théorie conforme décrivant cette transition présente des caractéristiques inhabituelles telles que la non-unitarité, et a résisté á toute tentative de résolution jusqu'á présent. Dans cette thèse, nous étudions le rôle des états de bord dans les transitions d'effet Hall, en utilisant des discrétisations sur réseau de modèles sigma. Les états de bord correspondent aux conditions aux bord pour les champs des modèles sigma, et peuvent être discrétisés en terme de chaînes de spins quantiques ou de modèles géométriques (de boucles). Pour l'effet Hall de spin, un équivalent de l'effet Hall entier pour le transport de spin (classe C), nos techniques permettent le calcul exact des exposants critiques des théories conformes avec bord décrivant les transitions entre plateaux élevés. Nos prédictions pour la moyenne de la conductance de spin sont validées par des simulations numériques des problèmes de localisation correspondant. Dans cette thèse, envisageant des applications au transport dans les modèles sur réseau des électrons désordonnés en 2+1-dimensions, et aux trempes dans des systèmes quantiques á une dimension, nous avons également développé un nouveau formalisme pour calculer des fonctions de partition de systèmes critiques sur un rectangle. Comme application, nous dérivons des formules de probabilités pour les marches auto-évitantes