Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια σύντομη εισαγωγή στη θεωρία των Χορδών, ενώ ιδιαίτερη έμαφαση έχει δοθεί στις D-Branes. Αρχικά παρουσιάζεται η κλασική μποζονική χορδή, καθώς και η κβάντωσή της. Στη συνέχεια περιγράφεται ο Τ-δυϊσμός και εισάγονται οι D-Branes στη θεωρία, των οποίων και αναλύονται τα βασικά χαρακτηριστικά, ενώ παρουσιάζεται και η δράση κοσμικού όγκου για την περιγραφή τους. Ακολουθεί μια συνοπτική περιγραφή των υπερσυμετρικών χορδών και των διαφορετικών θεωριών χορδών που προκύπτουν. Τέλος, παρουσιάζεται η γεωμετρία που παράγουν οι D-Branes, σε αναλογία με την αντίστοιχη των μελανών οπών, και περιγράφεται ο τρόπος με τον οπίο κατασκευάζονται extremal μελανές οπές στη θεωρία χορδών καθώς και η μικροσκοπική περιγραφή τους μέσω κατάλληλων διατάξεων από D-Branes. / This thesis consists of a short introduction to string theory, while emphasis has been given on D-Branes. First, the classical bosonic string is presented, and its quantization. T-duality is described and D-Branes are introduced in the theory, the basic properties of which are analyzed. A short discussion of supersymmetric strings follows. Finally, the geometry of D-branes is presented, with respect to the geometry of black holes, and the way that extremal black holes are constructed in string theory, while also their microscopic describtion in terms of D-branes.

Στόχος της διατριβής είναι η αναζήτηση υπερσυμμετρικών λύσεων με προέλευση από την Μ θεωρία και τη θεωρία χορδών στις 10-διαστάσεις, με συνακόλουθη μελέτη των συνεπειών τους στις 4-διαστάσεις μέσω της αντιστοιχίας βαρύτητας/βαθμίδας. Στο πρώτο βήμα προχωρούμε σε συστηματική κατασκευή υπερσυμμετρικών βαρυτικών λύσεων της υπερβαρύτητας σε διάφορες διαστάσεις με μειωμένη Lorentzian ολονομία. Η κατασκευή μας βασίζεται στην εισαγωγή χρονικής εξάρτησης στις παραμέτρους moduli των Riemannian αντιγράφων. Συνεπώς οδηγούμαστε σε D-διάστατες υπερσυμμετρικές λύσεις κενού με Lorentzian ομάδα ολονομίας της μορφής G×RD-2. Στο δεύτερο βήμα προσεγγίζουμε τους 5-διάστατους χώρους Sasaki-Einstein, οι οποίοι παρεμβάλονται μεταξύ της S5 και του T1,1. Χρησιμοποιώντας τους 5-διάστατους αυτούς χώρους σαν βάση κατασκευάζουμε 6-διάστατους υπερσυμμετρικούς κώνους, οι οποίοι στη συνέχεια θα αποτελέσουν τα δομικά στοιχεία για την κατασκευή λύσεων της 10-διάστατης υπερβαρύτητας τύπου ΙΙΒ για συσσωματώματα από D3 και D5-βράνες. Στο τρίτο βήμα μελετάμε τις δυϊκές βαρυτικές λύσεις του κλάδου Coulomb που αντιστοιχούν σε μια marginally παραμορφωμένη N=4 θεωρία Yang-Mills. Μέσα από μια αλληλουχία από Τ δυϊκότητες και μετατοπίσεις συντεταγμένων κατασκευάζουμε το δυϊκο βαρυτικό υπόβαθρο, ουσιαστικά παρουσιάζοντας μια γενική μεθοδολογία. Εξετάζουμε ενδελεχώς το ζήτημα της υπερσυμμετρίας και πως αυτή ελαττώνεται από Ν=4 σε Ν=1. Στη συνέχεια ανιχνεύουμε την γεωμετρία μέσα από τον υπολογισμό του βρόχου Wilson για ζεύγος βαρέων quark-antiquark, αποκαλύπτοντας φαινόμενα θωράκισης και εγκλωβισμού για το δυναμικό. / Our main objective is the quest of supersymmetric solutions coming from M theory and 10-dim string theory together with the study of their implications in 4-dim through the AdS/CFT correspondence. As a first step we proceed in a systematic construction of supersymmetric supergravity solutions in diverse dimensions with reduced Lorentzian holonomy. Our construction is based on time dependence insertion over the moduli parameters of the Riemannian counterparts. We end up with D-dim supersymmetric vacuum solutions with Lorentzian holonomy group of the semidirect product type G×RD-2. In the second step we get near the 5-dim Sasaki-Einstein spaces which interpolate between S5 and T1,1. Using those 5-dim spaces as a base we construct the 6-dim supersymmetric cones which in turn will form the building blocks for the consequent construction of supersymmetric type-IIB supergravity solutions representing a stack of D3- and D5-branes. In the last step we study the gravity duals of the Coulomb branch of marginally deformed N=4 Yang-Mills theory. Through a sequence of T dualities and coordinate shifts we construct the dual supergravity background, in other words present a general methodology. We examine in detail the issue of supersymmetry and in particular the way it is reduced from N=4 to N=1. We probe the geometry through the computation of the expectation value of the Wilson loop operator for a pair of quark-antiquark, reviling confining and complete screening phenomena for the potential.

Στη διατριβή αυτή θα μελετήσουμε μονότονες ποσότητες στα πλαίσια συνδυασμένων γεωμετρικών ροών. Πιο συγκεκριμμένα, εστιάζοντας την προσοχή μας στη περίπτωση των σολιτονίων Ricci, ως περιβάλλοντες χώρους, θα θεωρήσουμε λύσεις της εξίσωσης θερμότητας ολοκληρωμένες πάνω σε εμβαπτισμένες υποπολλαπλότητες οι οποίες εξελίσσονται χρονικά με τη ροή μέσης καμπυλότητας. Επιπρόσθετα, στη περίπτωση του συνδυασμού αντίστροφης ροής Ricci, ροής μέσης καμπυλότητας, όταν ο περιβάλλων χώρος είναι Kahler, η λύση της αντίστροφης εξίσωσης θερμότητας, ολοκληρωμένη πάνω στην υποπολλαπλότητα αποτελεί μονότονη ποσότητα. / -

Υπάρχει μια ιδιαίτερη κατηγορία φυσικών συστημάτων, τα οποία καλούνται ολοκληρώσιμα. Η ολοκληρωσιμότητα ενός συστήματος συνεπάγεται άμεσα πως αυτό είναι ακριβώς επιλύσιμο, ενώ συνήθως το σύστημα παρουσιάζει μεγάλη συμμετρία. Η θεωρία των ο- λοκληρώσιμων συστημάτων, κλασικών και κβαντικών, παρέχει τα κατάλληλα εργαλεία για τη μελέτη των εν λόγω προτύπων με συστηματικό τρόπο. Στην παρούσα διατρι- βή μελετούμε τέτοιου είδους συστήματα, δίνοντας έμφαση στις αλγεβρικές δομές και τις συμμετρίες που βρίσκονται πίσω από αυτά. Στο πρώτο μέρος, περιγράφονται στοιχεία της θεωρίας των κλασικών ολοκληρώσιμων συστημάτων. Ο συστηματικός τρόπος περιγρα- φής τους επιτρέπει και την επέκταση αυτών, εισάγοντας για παράδειγμα μη τετριμμένες συνοριακές συνθήκες ή τοπικές ατέλειες, έτσι ώστε η ολοκληρωσιμότητα του συστήματος να διατηρείται. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η θεωρία της ολοκληρωσιμότητας σε κβαντικό επίπεδο και το πλαίσιο ακριβούς επίλυσης τέτοιων συστημάτων μέσω ισχυρών μεθόδων, όπως η τεχνική Bethe ansatz. Σημαντικό ρόλο στο πεδίο αυτό διαδραματίζει η ομάδα braid και τα υποσύνολά της, καθώς εξασφαλίζουν την παραγωγή συμμετρικών λύσεων των εξισώσεων της κβαντικής ολοκληρωσιμότητας, με συστηματικό τρόπο. Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται το πλαίσιο παραγωγής τέτοιων λύσεων, και συγκεκριμένα δημοσιευμένα αποτελέσματα. Τέλος, στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται εμβαπτίσεις μεμβρα- νών σε σφαιρικές υποπολλαπλότητες, όπως αυτές υπεισέρχονται στη θεωρία των χορδών. Εκτός της κατασκευής των συγκεκριμένων εμβαπτίσεων, παρουσιάζεται και η σχέση τους με συστήματα της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης, χρησιμοποιώντας το ισχυρό πλαίσιο της αντιστοιχίας AdS/CFT. / There is a special category of physical systems, called integrable. The integrability of a system implies directly that this is exactly solvable, while there usually exists a large amount of symmetry. The theory of integrable systems, both classical and quantum, provides the appropriate tools for the study of these models in a systematic way. In this dissertation we study such systems, giving emphasis on the underlying algebraic structures and symmetries. In the first part, we describe elements of the theory of classic integrable systems. The systematic way of describing them leads to natural extensions, for example by introducing non-trivial boundary conditions or local defects, in a way that the integrability of the system is preserved. In the second chapter the theory of integrability at the quantum level is described, as well as the framework for exactly solving such systems through powerful methods, such as Bethe ansatz method. Important role in this framework is played by the braid group and its quotients, as they provide a systematic way of obtaining solutions of the equations of quantum integrability in a systematic manner. This chapter describes the framework for the construction of such solutions, and particular published results. Finally, chapter 3 describes brane embeddings in sphere submanifolds, which exist within string theory. Besides the construction of these embeddings, their relation with systems of physics of condensed matter is presented, using the powerful framework of the AdS/CFT correspondence.

Σε αυτή την διδακτορική διατριβή μελετήσαμε την ευστάθεια δέσμιων καταστάσεων κουάρκ και δυονίων εντός της αντιστοιχίας AdS/CFT. Το κίνητρο για την μελέτη μας ήταν το ότι τα δυναμικά των δέσμιων αυτών καταστάσεων όπως αυτά υπολογίζονται εντός της αντιστοιχίας έχουν μερικές φορές συμπεριφορές οι οποίες είναι σε αντίθεση με τα προσδοκώμενα αποτελέσματα από την θεωρία πεδίου. Συγκεκριμένα συναντούμε: Πλειότιμα δυναμικά, Δυναμικά του οποίου το μήκος θωράκισης εξαρτάται ισχυρώς από τον προσανατολισμό της χορδής σε σχέση με τον άξονα του ζεύγους και Συμπεριφορές εγκλωβισμού κουάρκ στην N=4 SYM και διάφορες άλλες περιπτώσεις. Η ανάλυση της ευστάθειας των κλασσικών λύσεων επιλύει αυτές τις αντιφάσεις, αποδεικνύοντας ότι οι αυτές οι διατάξεις είναι ασταθείς και κατά συνέπεια είναι φυσικώς απαράδεκτες. / In this PhD thesis we studied the stabilty of quarks and dyons bound states within the AdS/CFT Correspondence. The motivation for our study was the fact that bound states potentials as these are calculated within AdS/CFT have in various cases behaviors which contradict the field theory expectations. In particular we find: Multivalued potentials, Potentials whose scrrening length heavily depends on the orientation of the string and quark confinment in N=4 SYM. Stability analysis of the classical solutions resolves these ambiguities between field theory expectations and their dual gravity description, proving that these configurations are unstable and thus they should be disgarded as unphysical.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάμε εφαρμογές οι οποίες σχετίζονται με την μη-Αβελιανή Τ-δυϊκότητα και την αντιστοιχία AdS/CFT. Στο πρώτο μέρος, το οποίο αντιστοιχεί στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάζουμε συνοπτικά τα απαραίτητα μαθηματικά εργαλεία που απαιτούνται για την καλύτερη κατανόηση των κεφαλαίων που ακολουθούν. Στο δεύτερο μέρος, το οποίο αποτελείται από τα κεφάλαια 2,3 και 4, ασχολούμαστε με την έννοια της μη-Αβελιανής Τ-δυϊκότητας. Ποιο συγκεκριμένα, στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζουμε τους κανόνες Buscher της Αβελιανής Τ-δυϊκότητα καθώς και την γενίκευση τους στην μη-Αβελιανή περίπτωση. Επίσης στο κεφάλαιο αυτό δείχνουμε τον τρόπο με τον οποίο μπορούμε να εφαρμόσουμε τους κανόνες της μη-Αβελιανής Τ-δυϊκότητας σε υπόβαθρα υπερβαρύτητας τύπου II τα οποία περιλαμβάνουν πεδία Ramond-Ramond. Η διαδικασία αυτή μπορεί να θεωρηθεί σαν μια τεχνική κατασκευής νέων λύσεων υπερβαρύτητας. Στο τρίτο κεφάλαιο θεωρούμε μια γενική κατηγορία υποβάθρων υπερβαρύτητας με ισομετρία SO(4) στα οποία εφαρμόζουμε τον μετασχηματισμό της μη-Αβελιανής Τ-δυϊκότητας ως προς την υποομάδα SU(2) της ομάδας ισομετρίας. Πραγματοποιώντας διαστατική ελάττωση στην αρχική και την δυϊκή θεωρία καταλήγουμε στην ίδια επταδιάστατη θεωρία. Ως αποτέλεσμα, οποιαδήποτε λύση αυτής της επταδιάστατης θεωρίας μπορεί να ανυψωθεί ταυτόχρονα στο αρχικό και στο δυϊκό υπόβαθρο. Η παρατήρηση αυτή μας παρέχει μια αντιστρεπτή απεικόνιση μεταξύ δυο λύσεων υπερβαρύτητας τύπου II οι οποίες συνδέονται με έναν μετασχηματισμό μη-Αβελιανής Τ-δυϊκότητας. Επίσης, για την συγκεκριμένη περίπτωση υποβάθρων αποδεικνύουμε ότι το δυϊκό υπόβαθρο διατηρεί τη μισή υπερσυμμετρία σε σχέση με το αρχικό. Στο τέταρτο κεφάλαιο μελετάμε τη δράση της μη-Αβελιανής Τ-δυϊκότητας σε μια σειρά από υπόβαθρα με υπερσυμμετρία N=1 των οποίων οι δυϊκές θεωρίες πεδίου είναι γνωστές. Σκοπός του κεφαλαίου αυτού είναι η μελέτη της μη-Αβελιανής Τ-δυϊκότητας στα πλαίσια της αντιστοιχίας AdS/CFT. Αυτό το επιτυγχάνουμε μελετώντας διάφορες ποσότητες των θεωριών πεδίου που αντιστοιχούν στο αρχικό και στο δυϊκό υπόβαθρο. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο κάνουμε χρήση τεχνικών ολογραφίας προκειμένου να μελετήσουμε το φαινόμενο της εισαγωγής φερμιονικών προσμίξεων σε τρισδιάστατες θεωρίες ύλης τύπου Chern-Simons, οι οποίες περιλαμβάνουν μεγάλο αριθμό γεύσεων. / In this thesis, we study applications which are related to the non-Abelian T-duality and the AdS/CFT correspondence. In the first part, which corresponds to the first chapter of the present thesis, we briefly present the basic mathematical tools required for the better understanding of the material included in the next chapters. In the second part, which consists of the chapters 2,3 and 4, we deal with the concept of non-Abelian T-duality. More concretely, in the second chapter we present the Buscher rules of the Abelian T-duality and we generalize them to the non-Abelian case. We also show how to implement the rules of non-Abelian T-duality in backgrounds of type II supergravity with non-vanishing Ramond-Ramond fields. This proccess can be seen as a generating technique of new supergravity backgrounds. In the third chapter we consider a general class of supergravity backgrounds with SO(4) isometry and we perform the non-Abelian T-duality transforation with respect to the SU(2) subgroup of SO(4). After a consistent truncation to seven dimensions of both the original and the dual background we reproduce the same seven dimensional theory. As a result, any solution of this seven dimensional theory can be uplifted simultaneously to both the original and the dual background. This provides an invertible map between two solutions of type II supergravity which are related with a non-Abelian T-duality transformation. Also, in the case of supergravity backgrounds considered here, we show that the dual background preserves the half supersymmetry with respect to the original one. In chapter 4, we study the action of non-Abelian T-duality on a series of N=1 supersymmetric backgrounds whose field theory duals are well understood. The aim of this chapter is to study the transformation of non-Abelian T-duality within the framework of the AdS/CFT correspondence. This is done by considering several observables of the field theories that correspond to both the original and the dual backgrounds. Finally, in chapter 5 we use holographic techniques in order to study the effect of the addition of fermionic impurities to the three dimensional Chern-Simons matter theories with a large number of flavors.