La théorie des pavages apériodiques a connu des développements rapides depuis les années 1980, avec la découvertes d'alliages métalliques cristallisant dans une structure quasi-périodique.Dans cette thèse, on étudie particulièrement deux méthodes de construction de pavages : par coupe et projection, et par substitution. Deux angles d'approche sont développés : l'étude de la fonction de complexité, et l'étude métrique de l'espace de pavages.Dans une première partie, on calcule l'asymptotique de la fonction de complexité pour des pavages coupe et projection, généralisant ainsi des résultats connus en dynamiques symbolique pour la dimension 1. On montre que pour un pavage coupe et projection canonique N sur d sans période, la complexité croît (à des constantes près) comme n à la puissance a, où a est un entier compris entre d et N-d.Ensuite, on se base sur une construction de Pearson et Bellissard qui construisent un triplet spectral sur les ensembles de Cantor ultramétriques. On suit leur construction dans le cas d'ensembles de Cantor auto-similaires. Elle s'applique en particulier aux transversales d'espaces de pavages de substitution.Enfin, on fait le lien entre la distance usuelle sur l'enveloppe d'un pavage et la complexité de ce pavage. Les liens entre complexité et métrique permettent de donner une preuve directe du fait suivant : la complexité des pavages de substitution apériodiques de dimension d croît comme n à la puissance d.La question de liens entre la complexité et la topologie (et pas seulement avec la distance) reste ouverte. Nous apportons cependant des réponses partielles dans cette direction.

La physique des très hautes énergies nécessite une description cohérente des quatre forces fondamentales. La géométrie non commutative représente un cadre mathématique prometteur qui a déjà permis d'unifier la relativité générale et le modèle standard, au niveau classique, grâce au principe de l'action spectrale. L'étude des théories quantiques de champs sur des espaces non commutatifs est une première étape vers la quantification de ce modèle. Celles-ci ne sont pas simplement obtenues en récrivant les théories commutatives sur des espaces non commutatifs. En effet, ces tentatives ont révélé un nouveau type de divergences, appelé mélange ultraviolet/infrarouge, qui rend ces modèles non renormalisables. H. Grosse et R. Wulkenhaar ont montré, sur un exemple, qu'une modification du propagateur restaure la renormalisabilité. L'étude de la généralisation de cette méthode est le cadre de cette thèse. Nous avons ainsi étudié deux modèles sur espace de Moyal qui ont permis de préciser certains aspects des théories non commutatives. En espace x, la principale difficulté technique est due aux oscillations de l'interaction. Nous avons donc généralisé les résultats de T. Filk afin d'exploiter au mieux ces oscillations. Nous avons pu ainsi distinguer deux types de mélange, renormalisable ou pas. Nous avons aussi mis en lumière la notion d'orientabilité : le modèle de Gross-Neveu non commutatif orientable est renormalisable sans modification du propagateur. L'adaptation de l'analyse multi-échelles à la base matricielle a souligné l'importance du graphe dual et représente un premier pas vers une formulation des théories de champs indépendante de l'espace sous-jacent.

La théorie des pavages apériodiques a connu des développements rapides depuis les années 1980, avec la découvertes d'alliages métalliques cristallisant dans une structure quasi-périodique.Dans cette thèse, on étudie particulièrement deux méthodes de construction de pavages : par coupe et projection, et par substitution. Deux angles d'approche sont développés : l'étude de la fonction de complexité, et l'étude métrique de l'espace de pavages.Dans une première partie, on calcule l'asymptotique de la fonction de complexité pour des pavages coupe et projection, généralisant ainsi des résultats connus en dynamiques symbolique pour la dimension 1. On montre que pour un pavage coupe et projection canonique N sur d sans période, la complexité croît (à des constantes près) comme n à la puissance a, où a est un entier compris entre d et N-d.Ensuite, on se base sur une construction de Pearson et Bellissard qui construisent un triplet spectral sur les ensembles de Cantor ultramétriques. On suit leur construction dans le cas d'ensembles de Cantor auto-similaires. Elle s'applique en particulier aux transversales d'espaces de pavages de substitution.Enfin, on fait le lien entre la distance usuelle sur l'enveloppe d'un pavage et la complexité de ce pavage. Les liens entre complexité et métrique permettent de donner une preuve directe du fait suivant : la complexité des pavages de substitution apériodiques de dimension d croît comme n à la puissance d.La question de liens entre la complexité et la topologie (et pas seulement avec la distance) reste ouverte. Nous apportons cependant des réponses partielles dans cette direction. / Since the 1980s, the theory of aperiodic tilings developed quickly, motivated by the discovery of metallic alloys which crystallize in an aperiodic structure. This highlighted the need for new models of crystals.Two models of aperiodic tilings are specifically studied in this dissertation. First, the cut-and-project method, then the inflation and substitution method. Two point of view are developed for the study of these objects: the study of the complexity function associated to a tiling, and the metric study of the associated tiling space.In a first part, the asymptotic behaviour of the complexity function for cut-and-project tilings is studied. The results stated here generalize formerly known results in the specific case of dimension 1. It is proved that for an (N,d) canonical projection tiling without periods, the complexity grows like n to the a, with a an integer greater or equal to d but lesser or equal to N-d.A second part is based on a construction by Pearson and Bellissard of a spectral triple for ultrametric Cantor sets. Their construction is applied to self-similar Cantor sets. It applies in particular to the transversal of substitution tiling spaces.In a last part, the links between the complexity function of a tiling and the usual distance on its associated tiling space are made explicit. These links can provide a direct and complete proof of the following fact: the complexity of an aperiodic d-dimensional substitution tiling grows asymptotically as n to the d, up to constants. These links between complexity and distance raises the question of links between complexity and topology. Partial answers are given in this direction.

Dans cette thèse nous avons étudié certaines questions mathématiques associées au calcul de l'action spectrale de Chamseddine--Connes sur des exemples fondamentaux de triplets spectraux non commutatifs, tels que le tore non commutatif et la 3-sphère quantique SUq(2). Nous avons montré en particulier qu'une condition diophantienne sur la matrice de déformation du tore est cruciale pour obtenir l'action spectrale en tenant compte de la structure réelle. <br />Nous avons aussi étudié la question de l'existence de tadpoles (termes linéaires par rapport au potentiel de jauge de la fluctuation de la métrique dans l'action spectrale) dans le cas de géométries riemanniennes commutatives, et la construction d'un calcul pseudodifférentiel global permettant une généralisation du produit de Weyl--Moyal sur un espace de Schwartz de sections rapidement décroissantes sur un fibré cotangent d'une variété avec linéarisation.

Dans cette thèse, nous montrons que le groupe de K-théorie $K_0$ de la $C^*$-algèbre associée aux pavages de type pinwheel est isomorphe à la somme de $\ZZ \oplus \ZZ^6$ et d'un groupe cohomologique $H$.\\ Cette $C^*$-algèbre est de plus munie d'une trace qui induit une application linéaire sur ce groupe de $K$-théorie.\\ Nous calculons explicitement l'image, sous cette application, du sommant $\ZZ \oplus \ZZ^6$, montrant que l'image de $\ZZ$ est nulle et que l'image de $\ZZ^6$ est contenue dans le module de fréquences des patchs du pavage de type pinwheel.\\ Nous montrons également que l'on peut appliquer le théorème de l'indice mesuré dû à A. Connes pour relier l'image de $H$ à une formule cohomologique plus calculable.\\ Pour l'étude de cette partie cohomologique, nous adaptons la cohomologie PV, introduite par J. Savinien et J. Bellissard, au cas des pavages de type pinwheel pour montrer que le groupe de cohomologie de \v{C}ech de dimension maximale de ces pavages est isomorphe au groupe des coinvariants entiers de la transversale canonique associée à ces pavages.\\ Ce résultat nous permet alors de prouver la conjecture du gap-labeling fait par J. Bellissard, dans le cas particulier des pavages de type pinwheel.\\ Nous terminons cette étude par un calcul explicite, montrant que le gap-labeling (ou module de fréquences des patchs) est donné par $\frac{1}{264}\ZZ \left [ \frac{1}{5} \right ]$.

De nombreuses approches à la gravité quantique suggèrent que la description usuelle de l’espace-temps ne serait pas adaptée à la description des phénomènes physiques impliquant à la fois des processus gravitationnels et quantiques. Une meilleure description pourrait consister à munir l’espace-temps d’une structure non-commutative en remplaçant les coordonnées locales sur la variété par des opérateurs ne commutant pas deux-à-deux. Il s’ensuit que le comportement des théories de champs construites sur de tels espaces diffère en général de celui des théories de champs ordinaires. L’étude de ces possibles nouvelles propriétés est l’objet de la théorie non-commutative des champs (TNCC) dont nous étudions certains des aspects.Dans le présent mémoire, nous considérons deux familles d’espaces quantiques dont l’algèbres de coordonnées admet une structure d’algèbre de Lie. La première famille est caractérisée par l’algèbre su(2) et apparait dans le cadre de modèle de gravité quantique en 3 dimensions, ainsi que dans certains modèles de « brane » et de « group field theory ». La seconde famille d’espaces quantiques est connue sous le nom de kappa-Minkowski. L’intérêt de cet espace réside dans le fait qu’il est défini comme l’espace homogène associé à l’algèbre de Hopf de kappa-Poincaré. Cette dernière définit une déformation, à l’échelle de Planck, de l’algèbre de Poincaré et s’avère être étroitement liée à certains modèles de gravité quantique.Afin d’étudier les TNCC, il est commode de représenter l’espace quantique comme une algèbre non-commutative de fonctions munie d’un produit déformé appelé « star-product ». Une façon canonique de construire un tel produit consiste à se servir d’outils d’analyse harmonique et à adapter le schéma de quantification de Weyl (originellement introduit dans le cadre de la mécanique quantique) à l’algèbre considérée. Les expressions de star-product associé aux espaces susmentionnés sont dérivées de manière explicite. Nous montrons en particulier que des familles de star-product inéquivalents peuvent être classifiées par des considérations cohomologiques. Nous étudions enfin les propriétés quantiques de différents modèles de TNCC scalaire quartique construits à l’aide de ces star-product. Dans le cas où l’espace quantique est caractérisé par l’algèbre su(2), nous trouvons que la fonction 2-point est fini à l’ordre une boucle, le paramètre de déformation jouant le rôle d’une coupure ultraviolette et infrarouge. Dans le cas de kappa-Minkowski, nous insistons sur l’invariance sous kappa-Poincaré de l’action fonctionnelle et montrons que certains modèles de TNCC scalaire quartique divergent moins que dans le cas commutatif. Par ailleurs, la fonction 4-point est trouvée finie à l’ordre une boucle. Nos résultats, ainsi que leurs conséquences, sont finalement discutés. / As many theoretical studies point out, the classical description of spacetime, as a continuum, might be no longer adequate to reconcile gravity with quantum mechanics at very high energy (the relevant energy scale being often regarded as the Planck scale). Instead, a more appropriate description could be provided by the data of a noncommutative algebra of coordinate operators replacing the usual commutative local coordinates on smooth manifold. Once the noncommutative nature of spacetime is assumed, it is to expect that the (classical and quantum) properties of field theories on noncommutative background differ from the ones of field theories on classical background. This is the aim of Non-Commutative Field Theory (NCFT) to explore and study these new properties.In the present dissertation, we consider two families of quantum spacetimes of Lie algebra type noncommutativity. The first family is characterised by su(2) noncommutativity and appears in the description of some models of quantum gravity in 3-dimensions. The other family of quantum spacetimes is known in the physics literature as the 4-d kappa-Minkowski space. The importance of this quantum spacetime lies into the fact that its symmetries are provided by the (quantum) kappa-Poincaré algebra (a deformation of the classical Poincaré algebra) together with the fact that the deformation parameter 'kappa', which is of mass dimension, provides a natural energy scale at which the quantum gravity effects may be relevant (and is often regarded as being related to the Planck scale). For these reasons, the kappa-Minkowski space appears as a good candidate for a spacetime to be involved in the description of Doubly Special Relativity and Relative Locality models.To study NCFT it is often convenient to introduce a star product characterising the (noncommutative) C*-algebra of fields modelling the quantum spacetime under consideration. We emphasise that a canonical star product can be obtained by using the group algebraic structures underlying the construction of such Lie algebra type quantum spaces, namely by making use of harmonic analysis on the corresponding Lie group together with the Weyl quantisation scheme. The explicit derivation of such star product for kappa-Minkowski is given. In addition, we show that su(2) Lie algebras of coordinate operators related to quantum spaces with su(2) noncommutativity can be conveniently represented by SO(3)-equivariant poly-differential involutive representations and show that the quantized plane waves obtained from the quantization map action on the usual exponential functions are determined by polar decomposition of operators combined with constraint stemming from the Wigner theorem for SU(2). We finally indicate a convenient way to extend this construction to other semi-simple but non simply connected Lie groups by making use of results from group cohomology with value in an abelian group that would replace the constraints stemming from the simple Wigner theorem.Then, we investigate the quantum properties of various models of interacting scalar field theory on noncommutative background making use of the aforementioned star product formalism to construct physically reasonable expressions for the action functional. Considering quantum spacetime with su(2) noncommutativity, we find that the one-loop 2-point function for complex scalar field theories with quartic interactions is finite, the deformation parameter playing the role of a natural UV cut-off. Special attention is paid to the derivation of the one-loop corrections to both the 2-point and 4-point functions for various models of kappa-Poincaré invariant scalar field theory with quartic interactions. In that case, we show that for some models the 2-point function divergences linearly thus slightly milder than their commutative counterpart, while the one-loop 4-point function is shown to be finite. The results we obtained together with their consequences are finally discussed.

La géométrie non commutative, du fait qu'elle permet de généraliser des objets géométriques sous forme algébrique, offre des perspectives intéressantes pour réunir la théorie quantique des champs et la relativité générale dans un seul cadre. Elle peut être abordée selon différents points de vue et deux d'entre eux sont présentés dans cette thèse. Le premier, le calcul différentiel basé sur les dérivations, nous a permis de construire une action de Yang-Mills-Higgs dans laquelle apparait des champs pouvant être interprétés comme des champs de Higgs. Avec le second, les triplets spectraux, on peut généraliser la notion de distance entre état et calculer des formules de distance. C'est ce que nous avons fait dans le cas de l'espace de Moyal et du tore non commutatif. / Noncommutative geometry offers interesting prospects to gather the quantum field theory and relativity in one general framework because it allows one to generalize geometric objects algebraically. It can be approached from different points of view and two of them are presented in this PhD. The first, calculus based on derivations, allowed us to construct a Yang-Mills-Higgs action which appears in fields that can be interpreted as Higgs fields. With the second, spectral triples, we can generalize the notion of distance between states. We calculated the distance formulas in the case of the Moyal space and the noncommutative torus.

Ce mémoire d'habilitation à diriger des recherches est constitué des deux parties: - la première partie revient sur les idées et les concepts de la géométrie non commutative. Le point central de cet exposé est de rappeler les résultats qui motivent les recherches en géométrie non commutative, au sens où ces résultats donnent un sens à la démarche promue par la géométrie non commutative. Ces résultats sont bien connus désormais, et ils s'articulent autour de constructions pouvant prendre sens à la fois dans un cadre topologique et/ou géométrique et dans un cadre plus algébrique. Ainsi on trouvera le théorème de Gelfand-Naïmark sur les C*-algèbres commutatives, des rappels sur la K-théorie, d'abord pour les espaces topologiques, puis pour les C*-algèbres, une introduction à la cohomologie cyclique en insistant sur ses liens avec les structures différentiables, finalement un exposé sur l'objet "magique" qui connecte entre eux tous ces domaines, à la fois dans le cadre purement topologique, dans le cadre de la géométrie différentielle, et enfin dans le cadre algébriques : le caractère de Chern. - la seconde partie est une revue qui fait le point sur l'état des recherches sur la géométrie non commutative de l'algèbre des endomorphismes d'un fibré vectoriel de groupe de structure SU(n), en donnant si possible toutes les définitions utiles, de façon à faire un texte relativement autonome. Plus encore, il s'agit de montrer en quoi cette géométrie étend de façon naturelle la géométrie ordinaire du fibré principal sous-jacent, et en quoi les résultats obtenus sur les liens entre les connexions ordinaires et les connexions non commutatives dans ce contexte sont une excellente généralisation de la notion ordinaire de connexion. C'est pourquoi, dans cet exposé, sont rappelés les concepts usuels des théories de jauge ordinaires, et sont décrits très précisément où et comment la nouvelle géométrie se greffe à ces concepts. En particulier, il est insisté sur le fait que la notion de connexion prend un sens dans un niveau "intermédiaire", entre sa définition comme forme globale sur le fibré principal et sa définition comme familles de formes locales sur la variété de base satisfaisant à des recollements non homogènes. Le niveau intermédiaire utilise la géométrie de nature non commutative de l'algèbre des endomorphismes, et correspond à un regard nouveau sur les concepts usuels manipulés dans le cadre des théories de jauge.

Cette thèse propose une notion de quantification par déformation des variétés de Poisson au sens des C*-algèbres, en lien notamment avec l'emploi de groupoïdes. Cette théorie s'appuie sur des exemples, notamment celui des variétés toriques. La première partie est un rappel de connaissances développées depuis quelques dizaines d'années sur les groupoïdes et leurs C*-algèbres. La deuxième partie présente les définitions de déformation et de quantification utilisées ensuite, et leur traduction, pour les groupoïdes, dans la notion importante de groupoïde de déformation. Une large classe de sous-groupoïdes des groupoïdes de Lie est de ce type. Enfin le résultat principal de cette thèse est une condition suffisante sur les variétés M munies de l'action d'un tore Tn pour construire un groupoïde de déformation associé, au moyen du choix d'une action de Rn sur une variété contenant le quotient M/Tn ; ce groupoïde se présente comme un sous-groupoïde du groupoïde de l'action d'un groupe discret. On retrouve alors des résultats de quantification connus pour Cn, les tores et les sphères de dimension 4 non commutatifs. La troisième partie applique ce résultat à l'exemple des variétés toriques, dont la géométrie étonnante, en terme de moment notamment, fut découverte dans les années 80. Cette construction fournit le premier exemple de quantification des variétés toriques dans un cadre C*-algebrique, même dans les cas les plus simples (sphère de dimension 2, espaces projectifs complexes).

Cette thèse est consacrée à l'étude des théories conformes des champs (CFTs) bidimensionelles et à leur interprétation géométrique, dans le cadre de la théorie bosonique des cordes. Après un premier chapitre introductif, nous construisons des théories conformes ayant pour espaces-cibles des quotients généraux de groupes compacts par des sous-groupes abéliens finis. Plusieurs choix de champs de fond antisymétriques sont possibles, correspondant du côté de la CFT à la torsion discrète. Dans le troisième chapitre, nous ajoutons des cordes ouvertes à ces constructions; nous étudions les états de bord, leur interprétation géométrique en termes de D-branes et montrons comment celles-ci sont stabilisées par le flux du champ de jauge. Le quatrième chapitre développe l'analyse de basse énergie, par le calcul à deux boucles de la fonction beta du champ de jauge, menant à des corrections à l'action de Born-Infeld. Il inclut aussi des resultats sur l'action de BI non-abélienne à cet ordre. Le dernier chapitre contient les conclusions et perspectives.