Les calculs de chromodynamique quantique sur réseau prévoient, que pour un potentiel baryonique nul et une température de T ∼ 173 MeV , il devrait être possible d'observer une transition de la phase de la matière hadronique vers un plasma de quarks et de gluons. Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes devraient permettre de mettre en évidence ce changement de phase. Les saveurs lourdes peuvent être utilisées pour sonder les premiers instants des collisions pendant lesquels la température est la plus élevée. Le LHC va permettre d'étudier les collisions entre noyaux de plomb et les collisions entre protons à une énergie jamais égalée : √s = 5.5 TeV (√sNN = 14 TeV ) pour le plomb (les protons). Le détecteur ALICE est dédié à l'étude des collisions d'ions lourds mais peut également mesurer les collisions entre protons. Il est équipé d'un spectromètre à muons conçu pour l'étude des saveurs lourdes. Cette thèse présente les performances du spectromètre pour la mesure de la section efficace de production inclusive des hadrons beaux (B) et charmés (D) dans les collisions proton-proton. La première étape de cette mesure consiste à extraire les distributions des muons de décroissance des hadrons B et D. L'étape suivante consiste à extrapoler les distributions aux sections efficaces de production inclusive des hadrons. Cette thèse contient également une étude préliminaire des performances du spectromètre pour la mesure du rapport de modification nucléaire et de l'observable associée nommée RB=D dans les collisions plomb-plomb de centralité0−10%. L'accent est porté sur les incertitudes et l'intervalle en impulsion transverse sur lequel ces observables pourront être mesurées.

La génération d'harmoniques d'ordre élevé en milieu gazeux est un phénomène habituellement décrit par un modèle à trois étapes : sous l'e et d'un champ laser intense, un atome (ou une molécule) est ionisé par e et tunnel. L'électron éjecté est accéléré dans le champ laser, puis il se recombine sur son ion parent en émettant un photon XUV. Ce rayonnement XUV, émis sous la forme d'impulsions attosecondes (1 as = 10^-18 s), est un outil idéal pour sonder la structure électronique des atomes ou des molécules, avec une résolution temporelle de l'ordre de l'attoseconde. Néanmoins, l'intensité de ce rayonnement n'est en général pas su sante pour induire des e ets non-linéaires (transitions à deux photons). Au cours des travaux réalisés pendant cette thèse, nous avons développé une source harmonique capable de produire un rayonnement XUV intense qui doit permettre d'accéder à la physique non-linéaire dans cette gamme de longueur d'onde. Pour parvenir à ces résultats, un travail important sur les impulsions infrarouges génératrices a été nécessaire, aussi bien dans le domaine spatial que dans le domaine temporel. Une technique de mise en forme spatiale de faisceaux laser intenses a donc été développée, ainsi qu'une technique de post compression adaptée aux impulsions laser intenses. Ce travail de thèse se divise donc en trois étapes : - Le développement de la source harmonique haute énergie et des diagnostics associés. Cette source est basée sur l'utilisation d'une chaîne laser Titane-Saphir qui délivre des impulsions de 150 mJ pour des durées de 40 fs à une cadence de 10 Hz. De bonnes conditions d'optimisation ont été obtenues, donnant lieu à des impulsions XUV dont l'énergie est de l'ordre du J lors de la génération dans l'argon. - Le développement d'une technique de mise en forme spatiale adaptée aux faisceaux laser intenses et à la génération d'harmoniques. Le dispositif est basé sur une optique en ré exion, et sur les interférences à deux faisceaux. Il permet de produire, dans la région focale, des faisceaux dont le pro l d'intensité est radialement constant (faisceaux at top) et ainsi d'apporter un contrôle supplémentaire sur la génération d'harmoniques d'ordre élevé. - Le développement d'une technique de post compression en propagation guidée basée sur l'élargissement spectral induit par ionisation. Cette technique est adaptée pour des impulsions intenses (3.5 TW) et permet de produire des impulsions de puissance crête supérieure au Térawatt dans le domaine sub-10 fs. Cette technique fournit donc une source unique pour la génération d'harmoniques d'ordre élevé. Ces deux approches ont été testées et validées pour la génération d'harmoniques d'ordre élevé, et les résultats obtenus ouvrent d'intéressantes perspectives telles que la génération d'impulsions attosecondes isolées de haute énergie (> 100 nJ).

L'hypothèse d'une quatrième famille de fermions - les particules de matière décrites au sein du Modèle Standard (MS) de la physique des particules - est un des plus simples modèles de nouvelle physique encore non exclu et accessible au démarrage du Large Hadron Collider (LHC) - le plus puissant collisionneur hadronique au monde depuis 2009. Cette thèse s'intéresse à la production d'une paire de quarks t' se désintégrant chacun en un boson W et un quark b. La recherche se focalise sur le domaine des très hautes masses, où la production peut être distinguée de la production de bruit de fond d'une paire de quark top en exploitant la cinématique des produits de désintégration des collisions proton-proton produites au centre du détecteur ATLAS. Nous présentons une stratégie originale exploitant en particulier la collimation des produits de la désintégration des bosons W de très grande impulsion transverse, permettant leur reconstruction explicite. L'analyse s'appuie sur un travail de mise en oeuvre des algorithmes d'identification des jets résultants de la fragmentation des quarks de saveur b. Ces algorithmes se basent sur la reconstruction très précise de la trajectoire des particules chargées, des vertex d'interactions primaires et des vertex de désintégrations secondaires présents au sein des jets. L'étiquetage-b permet à l'expérience ATLAS d'améliorer la (re)découverte du MS, ainsi que la sensibilité à la nouvelle physique. Il sera ainsi d'une grande importance pour les futures années d'opération du LHC, raison pour laquelle nous présentons une étude de prospective de ses performances attendues avec l'extension du détecteur à pixels d'ATLAS - détecteur clé de l'étiquetage-b - dénommée IBL et actuellement en construction. Notre recherche de quark t' quant à elle a permis d'établir une limite inférieure à la masse du quark t' de 656 GeV à partir des 4.7 fb^−1 de données 7 TeV collectées en 2011, ce qui est la meilleure limite à ce jour en recherche directe, avec également une interprétation dans le cadre du modèle de quarks dits 'vecteurs'.

L'objectif de ce travail est la détection conjointe d'ondes gravitationnelles et de neutrinos cosmique de haute énergie à travers une approche multi-messagers. Les astronomies "neutrinos" et "ondes gravitationnelles" sont encore en phase de développement, mais elles sont appelées à jouer un rôle fondamental dans le futur. En effet, ces "messagers" peuvent parcourir de grandes distances grâce à leur faible interaction avec la matière (contrairement aux photons qui, à haute énergie, sont rapidement absorbés), sans être affectés par les champs magnétiques (contrairement aux rayons cosmiques chargés). Ils peuvent également s' échapper de milieux denses et fournir des informations sur les processus qui ont lieu au coeur des sources astrophysique (les photons s' échappent des couches périphériques des objets célestes). En un mot, ces astronomies sont susceptibles d'ouvrir une nouvelle fenêtre d'observation sur le cosmos. La collaboration ANTARES a construit en Méditerranée un télescope sous-marin de neutrino de haute énergie d'une surface de détection proche de 0.1 km². C'est le télescope le plus sensible pour la partie du ciel observée. Les interféromètres VIRGO et LIGO sont des détecteurs terrestres pour l'observation directe d'ondes gravitationnelles, instalés en Europe et aux états-Unis d'Amérique respectivement. Les instruments ANTARES, VIRGO et LIGO offrent une sensibilité inégalée dans la zone de recherche commune. Le premier chapitre de cette thèse introduit les motivations théoriques pour une recherche jointe d'ondes gravitationnelles et de neutrinos de haute énergies en développant les différents scénarios d'émission. Le deuxième et troisième chapitres sont consacrés à l'étude des techniques de détection avec les interféromètres VIRGO-LIGO et le télescope à neutrinos ANTARES. Les quatriéme et cinquième chapitres de ce travail présentent les résultats d'analyses de données combinées d'ANTARES, VIRGO et LIGO prises séparement pendant les années 2007 et 2009-2010.

L'étude de l'Univers primordial adresse quelques-unes des questions les plus fondamentales de la physique théorique. Cette thèse a pour objet l'exploration de trois aspects principaux de la cosmologie primordiale. Dans un premier temps, nous discutons d'une alternative au paradigme scientique qu'est le modèle du Big Bang. A savoir, nous explorons un modèle d'univers à rebond qui évite la singularité initiale du Big Bang. Nous commencerons dans l'introduction par revoir les éléments de base nécessaires à la compréhension de la cosmologie. A la suite de quoi, nous montrerons un modèle spécifique d'Univers à rebond contenant des champs additionnels particuliers en complément des champs présents habituellement. Ces nouveaux champs proviennent de ce qui s'appelle le modèle "Lee-Wick" de la physique des particules. En particulier, nous prouvons qu'un univers à rebond dans ce contexte est instable lorsque l'on ajoute une composante de radiation en plus de la matière. Dans la seconde partie, nous considérons la production de particules via un phénomène de résonance paramétrique durant la phase de "préchauffement", a la fin de l'inflation cosmologique. Plus précisément, nous prouvons que dans le cas où l'inflation a une limite de vitesse, les termes cinétiques non-canoniques décrivant n'importe quel Lagrangien effectif n'améliorent pas la production de particules. Finalement, le dernier sujet aborde concerne les défauts topologiques pendant la transition de phase de la chromodynamique quantique. A savoir, nous étudions les cordes cosmiques provenant des champs de pions présents dans le modèle standard de la physique des particules et trouvons un méchanisme pour les stabiliser. Nous prouvons alors qu'un bain thermique de photons en contact avec ces cordes réduit la variété du vide à un cercle. Cela a pour effet d'autoriser la présence de "cordes pioniques" topologiquement stables.

Neutrino oscillations est trés bien étudié le phénoméne et des observations de Solar, trés-long-base de référence du réacteur, l'atmosphére et d'accélérateur à l'oscillation des neutrinos expériences trés robuste donner la preuve de trois mélange des neutrinos. D'autre part, certaines données expérimentales ont montré des anomalies qui pourraient être interprétées comme indication de la physique des neutrinos exotique au-delà de trois mélange des neutrinos. En outre, à partir d'un point de vue cosmologiques, la possibilité déspéces extra léger comme une contribution subdominant chaud de l'Univers est toujours intéressant. Dans la premiére partie de cette thése, nous nous sommes concentrs sur l'anomalie observée dans le Gallium source radioactive expériences. Ces expériences ont été réalisées pour tester la Gallium détecteurs de neutrinos solaires GALLEX et SAGE, en mesurant le flux de neutrinos d'électrons produit par une intense des sources radioactives artificielles placées à l'intérieur de détecteurs. Le mesurée certain nombre d'événements a été inférieur à celui attendu. Nous avons interprété cette anomalie comme une indication possible de la disparition de neutrinos et d'électrons, dans le cadre efficace de deux de mélange des neutrinos, nous avons obtenu sin2 2Theta > 0.03 et Deltam2 > 0.1 eV2. Nous avons également étudié la compatibilité de ce rsultat avec les donnes de le réacteur Bugey et de Chooz antineutrino disparition expériences. Nous avons constaté que les données Bugey présente un indice d'oscillations de neutrinos 'a 0.02 < sin2 2Theta < 0.07 et Deltam2 ≈ 1.95 eV2, qui est compatible avec le permis de Gallium de la region paramtres de mixage. Puis, en combinant les données de Bugey et de Chooz, les données de Gallium et de Bugey, et les données de Gallium, le Bugey et de Chooz, nous avons constaté que ce soup¸con persiste, avec une certaine compatibilité des données expérimentales. En outre, nous avons analysé les données expérimentales de l'ILL, SRS, Gösgen et expériences réacteur nucléaire. Nous avons obtenu un bon ajustement de la I.L.L. données, en montrant 1 et 2Sigma permis régions de l'espace des paramétres d'oscillation. Toutefois, la combinaison de I.L.L. données avec le Bugey les données ont révélé un trés faible compatibilité, si nous n'avons pas utilisé l'ILL données pour les analyzes supplémentaires. Notre ajustement de la S.R.S. expérience a donn de trés petites valeurs de la qualité d'ajustement (goodness-of-fit), ce qui indique que les données sont incompatibles avec l'hypothése d'oscillations, ainsi que les oscillations aucune hypothése. Nous n'avons pas d'explication à ce résultat. De l'analyze de la Gösgen expérience, nous avons obtenu des limites supérieures pour les paramétres de mélange, à l'exclusion de la region avec sin2 2Theta ≥ 0.3 et Deltam ≥ 0.05 eV2 à 3Sigma C.L.. Grâce â la combinaison de ces données avec celles de Gallium, le Bugey et de Chooz, nous avons constaté que l'indice des oscillations de neutrinos persiste â 0.03 < sin2 2Theta < 0.07 et Deltam2 ≈ 1.93 eV2, avec une bonne compatibilité des données. Toutefois, les oscillations aucune hypothése ne peut être exclue. Motivé par ces résultats, dans la deuxiéme partie de ce travail nous avons étudié contraintes cosmologiques sur une lumiére non-thermique neutrino stérile. Nous aménagées--la date des données cosmologiques avec une longue LCDM, y compris en lumiére les vestiges d'une masse dans la gamme 0.1-10 eV. Nous avons obtenu des contraintes sur la densité de courant et de la vitesse de dispersion de ces reliques, ainsi que des contraintes sur leur masse, à supposer qu'elles consistent soit découplé de la petite thermique des reliques, ou de non-resonantly produit stérile neutrinos. Nos résultats sont utiles pour peser sur des particules-motivés avec trois modéles de neutrinos actifs et un trés léger espéces.

Les capteurs monolithiques actifs à pixels (Monolithic Active Pixel Sensors, MAPS) sont de bons candidats pour être utilisés dans des expériences en Physique des Hautes Énergies (PHE) pour la détection des particules chargées. Dans les applications en PHE, des puces MAPS sont placées dans le voisinage immédiat du point d’interaction et sont directement exposées au rayonnement intense de leur environnement. Dans cette thèse, nous avons étudié et amélioré la résistance aux radiations des MAPS. Les effets principaux de l’irradiation et le progrès de la recherche sur les MAPS sont étudiés tout d'abord. Nous avons constaté que les cœurs des SRAM IP incorporées dans la puce MAPS limitent sensiblement la tolérance aux radiations de la puce MAPS entière. Aussi, pour améliorer la radiorésistance des MAPS, trois mémoires radiorésistantes sont conçues et évaluées pour les expériences en PHE. Pour remplacer les cœurs des IP SRAM, une SRAM radiorésistante est développée sur une petite surface. Pour les procédés de plus petit taille de grille des transistors, dans lequel les effets SEU (Single Event Upset) deviennent significatifs, une SRAM radiorésistante avec une tolérance SEU accrue est réalisée à l’aide d’un algorithme de détection et de correction d'erreurs (Error Detection And Correction, EDAC) et un stockage entrelacé des bits. Afin d'obtenir une tolérance aux rayonnements et une densité de micro-circuits plus élevées, une mémoire à double accès avec une cellule à 2 transistors originale est développée et évaluée pour des puces MAPS futures. Enfin, la radiorésistance des puces MAPS avec des nouveaux procédés disponibles est étudiée, et les travaux futurs sont proposés. / Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) are good candidates to be used in High Energy Physics (HEP) experiments for charged particle detection. In the HEP applications, MAPS chips are placed very close to the interaction point and are directly exposed to harsh environmental radiation. This thesis focuses on the study and improvement of the MAPS radiation hardness. The main radiation effects and the research progress of MAPS are studied firstly. During the study, the SRAM IP cores built in MAPS are found limiting the radiation hardness of the whole MAPS chips. Consequently, in order to improve the radiation hardness of MAPS, three radiation hard memories are designed and evaluated for the HEP experiments. In order to replace the SRAM IP cores, a radiation hard SRAM is developed on a very limited area. For smaller feature size processes, in which the single event upset (SEU) effects get significant, a radiation hard SRAM with enhanced SEU tolerance is implemented by an error detection and correction algorithm and a bit-interleaving storage. In order to obtain higher radiation tolerance and higher circuitry density, a dual-port memory with an original 2-transistor cell is developed and evaluated for future MAPS chips. Finally, the radiation hardness of the MAPS chips using new available processes is studied, and the future works are prospected.

The Standard Model of particle physics attempts to unify the fundamental forces in the Universe (except gravity). Over the years it has been tested in numerous experiments. While these experimental results strengthen our understanding of the SM, they also point out directions for physics beyond the SM. In this thesis we assume supersymmetry (SUSY) to be the new physics beyond the SM. We have tried to analyze the present status of low energy SUSY after the recent results from direct (collider) and indirect (flavor, dark matter) searches .We have tried to see the complementarity between these apparently different experimental results and search strategies from the context of low energy SUSY. We show that such complementarity does exist in well-defined models of SUSY breaking like mSUGRA, NUHM etc. The first chapter outlines the present status of the SM and discusses about the unanswered questions in SM. Keeping SUSY as the new physics beyond the SM, we also detail about its present experimental status. Chapter1 ends with the motivation and comprehensive description about each chapter of the thesis. In chapter2, we present an introduction to formal structure of SUSY algebra and the structure of MSSM. One of the such complementarities we have studied is between flavor and dark matter. In general flavor violation effects are not considered when studying DM regions in minimal SUSY models like mSUGRA. If however flavor violation does get generated through non-minimal SUSY breaking sector, one of the most susceptible regions would be the co-annihilation region for neutralino DM. In chapter 3 we consider flavor violation in the sleptonic sector and study its implications on the stau co-annihilation region. In this work we have taken flavor violation between the right-handed smuon (˜µR) and stau (˜τR). Due to this flavor mixing the lightest slepton (ĺ1) is a flavor mixed state. We have studied the effect of such ĺ11’s in the ‘stau co-annihilation’ region of the parameter space, where the relic density of the neutralinos gets depleted due to efficient co-annihilation with the staus. Limits on the flavor violating insertion in the right-handed sleptonic sector mainly comes from BR(τ → µγ). These limits are weak in some regions of the Parameter space where cancellations happen with in the amplitudes. We look for overlaps in parameter space where both the co-annihilation condition as well as the cancellations with in the amplitudes occur. We have shown that in models with non-universal Higgs boundary conditions (NUHM) overlap between these two regions is possible. The effect of flavor violation is two fold: (a) It shifts the co-annihilation regions towards lighter neutralino masses and (b) the co-annihilation cross sections would be modified with the inclusion of flavor violating diagrams which can contribute significantly. In the overlap regions, the flavor violating cross sections become comparable and in some cases even dominant to the flavor conserving ones. A comparison among the different flavor conserving and flavor violating channels, which contribute to the neutralino annihilation cross-section, is presented. One of the challenges of addressing quantitatively the complementarity problems is the lack of proper spectrum generator (numerical tools which computes SUSY sparticle spectrum in the presence of flavor violation in the sfermionic sector). For the lack of a publicly available code which considers general flavor violating terms in the renormalization group equations (RGE) we have developed a SUSY spectrum calculator, named as SuSeFLAV .It is a code written in FORTRAN language and calculates SUSY particle spectrum (with in the context of gravity mediation) in type I seesaw, in the presence of heavy right handed neutrinos (RHN). SuSeFLAV also calculates the SUSY spectrum in other type of SUSY breaking mechanisms (e.g. gauge mediation). The renormalization group (RG) flow of soft-SUSY breaking terms will generate large off-diagonal terms in the slepton sector in the presence of this RHNs, which will give rise to sizable amount of flavor violating (LFV) decays at the weak scale. Hence, in this code we also calculate the different rare LFV decays like, µ → eγ, τ → µγ etc. In SuSeFLAV the user has the freedom to choose the scale of the RHNs as well as the mixing matrix in neutrino sector. It is also possible to choose the values of the SUSY breaking input parameters at the user defined scale. The details of this package is discussed in chapter 4. Many of the present studies of complementarity between the direct and indirect searches are inadequate to address realistic scenarios, where SUSY breaking could be much more general compared to the minimal models. The work in this thesis is a step to wards this direction. Having said that, in the present thesis we have considered modifications of popular models with either explicit flavor violating terms (in some sectors) or sources of flavor violation through new particles and new couplings motivated by strong phenomenological reasons like neutrino masses. It should be noted however, the numerical tool which has been developed during the thesis can be used to address more complicated problems like with complete flavor violation in models of SUSY breaking. One of the popular mechanisms of neutrino mass generation is the so called Seesaw Mechanism. Depending on the extra matter sector present in the theory there are three basic types of them. The type I seesaw, which has singlet bright-handed neutrinos, the type II seesaw contains scalar triplets and type III seesaw has additional fermionic triplets. One of the implications of the seesaw mechanism is flavor violation in the sfermionic sector even in the presence of flavor universal SUSY breaking. This leads to a complementarity between flavor experiments and direct SUSY searches at LHC. With the announcement of the results from the reactor neutrino oscillation experiments, the reactor mixing angle (θ13) in the neutrino mixing matrix (PMNS matrix) gets fixed to a rather large non-zero value. In SO (10) GUT theories neutrino Yukawa couplings of type I seesaw gets related to the up-type fermion sector of the SM. In chapter 5 we update the status of SUSY type I seesaw assuming SO (10)- like relations for neutrino Dirac Yukawa couplings and two cases of mixing, one large, PMNS-like, and another small, CKM-like, are considered. It is shown that for the large mixing case, only a small range of parameter space with moderate tan β is still allowed. It is shown that the renormalization group induced flavor violating slepton mass terms are highly sensitive to the Higgs boundary conditions. Depending on the choice of the parameters, they can either lead to strong enhancements or cancellations with in the flavor violating terms. We have shown that in NUHM scenario there could be possible cancellations which relaxes the severe constraints imposed by lepton flavor violation compared to mSUGRA. We further updated the flavor consequences for the type II seesaw in SUSY theories. As mentioned previously in type II seesaw neutrino mass gets generated due to exchange of heavy SU (2) L triplet Higgs field. The ratio of lepton flavor violating branching ratios (e.g. BR(τ → µγ) /BR (µ → eγ) etc.) are functions of low energy neutrino masses ans mixing angles. In chapter 6 we have analyzed how much these ratios become, after the experimental measurement of θ13, in the whole SUSY parameter space or in other words how much these ratios help to constrain the SUSY parameter space. We compute different factors which can affect this ratios. We have shown that the cMSSM-like scenarios, in which slepton masses are taken to be universal at the high scale, predict 3.5 BR(τ → µγ) / BR(µ → eγ) 30 for normal hierarchical neutrino masses. We Show that the current MEG limit puts severe constraints on the light sparticle spectrum in cMSSM-like model for seesaw scale with in1013 - 1015 GeV. These constraints can be relaxed and relatively light sparticle spectrum can be still allowed by MEG result in a class of models in which the soft mass of triplet scalar is taken to be non-universal at the GUT scale. In chapter 7 we have analyzed the effect of largen eutrino Yukawa couplings on the supersymmetric lightest Higgs mass. In July 2012, ATLAS and CMS collaboration have updated the Higgs search in LHC and found an evidence of a scalar particle having mass around 125 GeV. The one-loop contribution to Higgs mass mainly depends on the top trilinear couplings (At), the SUSY scale and the top Yukawa (Yt). Thus in models with extra large Yukawa couplings at the high scale like the seesaw mechanism ,the renormalization scaling of the At parameter can get significantly affected. This in turn can modify the light Higgs mass at the weak scale for the same set of SUSY parameters. We have shown in type I seesaw with (Yν ~ 3Yu) the light Higgs mass gets reduced by 2 - 3 GeV in most of the parameter rspace. In other words the SUSY scale must be pushed high enough to achieve similar Higgs mass compared to the cMSSM scenario. We have got similar effect in SUSY type III seesaw scenario with (Yν ~Yu) at the GUT scale. In chapter 8 we summarize the results of the thesis and discuss the possible future directions.

This thesis presents the work done on electronic transport in various interacting and non-interacting systems in one and two dimensions. The systems under study are: an interacting quantum dot [1], a non-interacting quantum wire and a ring in which time-dependent potentials are applied [2], an interacting quantum wire and networks of multiple quantum wires with resistive regions [3, 4], one-dimensional edge stages of a two-dimensional topological insulator [5], and a hybrid system of two-dimensional surface states of a three-dimensional topological insulator and a superconductor [6]. In the first chapter, we introduce a number of concepts which are used in the rest of the thesis, such as scattering theory, Landauer conductance formula, quantum wires, bosonization, topological insulators and superconductor. In the second chapter, we study transport through a quantum dot with interacting electrons which is connected to two reservoirs. The quantum dot is modeled by two sites within a tight-binding model with spinless electrons. Using the Lippman-Schwinger method, we write down an exact two-particle wave function for the dot-reservoir system with the interaction localized in the region of the dot. We discuss the phenomena of two-particle resonance and rectification. In the third chapter, we study pumping in two kinds of one-dimensional systems: (i) an infinite line connected to reservoirs at the two ends, and (ii) an isolated ring. The infinite line is modeled by the Dirac equation with two time-independent point-like backscatterers that create a resonant barrier. We demonstrate that even if the reservoirs are at the same chemical potential, a net current can be driven through the channel by the application of one or more time-dependent point-like potentials. When the left-right symmetry is broken, a net current can be pumped from one reservoir to the other by applying a time-varying potential at only one site. For a finite ring, we model the system by a tight-binding model. The ring is isolated in the sense that it is not connected to any reservoir or environment. The system is driven by one or more time-varying on-site potentials. We develop an exact method to calculate the current averaged over an infinite amount of time by converting it to the calculation of the current carried by certain states averaged over just one time period. Using this method, we demonstrate that an oscillating potential at only one site cannot pump charge, and oscillating potentials at two or more sites are necessary to pump charge. Further we study the dependence of the pumped current on the phases and the amplitudes of the oscillating potentials at two sites. In the fourth chapter, we study the effect of resistances present in an extended region in a one-dimensional quantum wire described by a Tomonaga-Luttinger liquid model. We combine the concept of a Rayleigh dissipation function with the technique of bosonization to model the dissipative region. In the DC limit, we find that the resistance of the dissipative patch adds in series to the contact resistance. Using a current splitting matrix M to describe junctions, we study in detail the conductances of: a three-wire junction with resistances and a parallel combination of resistances. The conductance and power dissipated in these networks depend in general on the resistances and the current splitting matrices that make up the network. We also show that the idea of a Rayleigh dissipation function can be extended to couple two wires; this gives rise to a finite transconductance analogous to the Coulomb drag. In the fifth chapter, we study the effect of a Zeeman field coupled to the edge states of a two-dimensional topological insulator. These edge states form two one-dimensional channels with spin-momentum locking which are protected by time-reversal symmetry. We study what happens when time-reversal symmetry is broken by a magnetic field which is Zeeman-coupled to the edge states. We show that a magnetic field over a finite region leads to Fabry-P´erot type resonances and the conductance can be controlled by changing the direction of the magnetic field. We also study the effect of a static impurity in the patch that can backscatter electrons in the presence of a magnetic field. In the sixth chapter, we use the Blonder-Tinkham-Klapwijk formalism to study trans-port across a line junction lying between two orthogonal topological insulator surfaces and a superconductor (which can have either s-wave or p-wave pairing). The charge and spin conductances across such a junction and their behaviors as a function of the bias voltage applied across the junction and various junction parameters are studied. Our study reveals that in addition to the zero conductance bias peak, there is a non-zero spin conductance for some particular spin states of the triplet Cooper pairs. We also find an unusual satellite peak (in addition to the usual zero bias peak) in the spin conductance for a p-wave symmetry of the superconductor order parameter.

The idea of holography [1, 2] finds a concrete realization in form of the AdS/CFT correspondence [3, 4]. This duality relates a field theory with conformal symmetries to quantum gravity living in one higher dimension. In this thesis we study aspects of black hole quasinormal modes, higher spin theories and entanglement entropy in the context of this duality. In almost all cases we have been able to subject the duality to some precision tests. Quasinormal modes encode the spectrum of black holes and the time-scale of pertur- bations therein [5]. From the dual CFT viewpoint they are the poles of retarded Green's function (or peaks in the spectral function) [6]. Quasinormal modes were previously studied for scalar, gauge field and fermion fluctuations [7]. We solve for these quasinormal modes of higher spin (s _ 2) fields in the background of the BTZ black hole [8, 9]. We obtain an exact solution for a field of arbitrary spin s (integer or half-integer) in the BTZ background. This implies that the BTZ is perhaps the only known black hole background where such an analysis can be done analytically for all bosonic and fermionic fields. The quasinormal modes are shown to match precisely with the poles of the corresponding Green's function in the CFT living on the boundary. Furthermore, we show that one-loop determinants of higher spin fields can also be written as a product form [10] in terms of these quasinormal modes and this agrees with the same obtained by integrating the heat-kernel [11]. We then turn our attention to dualities relating higher-spin gravity to CFTs with W algebra symmetries. Since higher spin gravity does go beyond diffeomorphism invariance, one needs re_ned notions of the usual concepts in differential geometry. For example, in general relativity black holes are defined by the presence of the horizon. However, higher spin gravity has an enlarged group of symmetries of which the diffeomorphisms form a subgroup. The appropriate way of thinking of solutions in higher spin gravity is via characterizations which are gauge invariant [12, 13]. We study classical solutions embedded in N = 2 higher spin supergravity. We obtain a general gauge-invariant condition { in terms of the odd roots of the superalgebra and the eigenvalues of the holonomy matrix of the background { for the existence of a Killing spinor such that these solutions are supersymmetric [14]. We also study black holes in higher spin supergravity and show that the partition function of these black holes match exactly with that obtained from a CFT with the same asymptotic symmetry algebra [15]. This involved studying the asymptotic symmetries of the black hole and thereby developing the holographic dictionary for the bulk charges and chemical potentials with the corresponding quantities of the CFT. We finally investigate entanglement entropy in the AdS3/CFT2 context. Entanglement entropy is an useful non-local probe in QFT and many-body physics [16]. We analytically evaluate the entanglement entropy of the free boson CFT on a circle at finite temperature (i.e. on a torus) [17]. This is one of the simplest and well-studied CFTs. The entanglement entropy is calculated via the replica trick using correlation functions of bosonic twist operators on the torus [18]. We have then set up a systematic high temperature expansion of the Renyi entropies and determined their finite size corrections. These _nite size corrections both for the free boson CFT and the free fermion CFT were then compared with the one-loop corrections obtained from bulk three dimensional handlebody spacetimes which have higher genus Riemann surfaces (replica geometry) as its boundary [19]. One-loop corrections in these geometries are entirely determined by the spectrum of the excitations present in the bulk. It is shown that the leading _nite size corrections obtained by evaluating the one-loop determinants on these handlebody geometries exactly match with those from the free fermion/boson CFTs. This provides a test for holographic methods to calculate one-loop corrections to entanglement entropy. We also study conformal field theories in 1+1 dimensions with W-algebra symmetries at _nite temperature and deformed by a chemical potential (_) for a higher spin current. Using OPEs and uniformization techniques, we show that the order _2 correction to the Renyi and entanglement entropies (EE) of a single interval in the deformed theory is universal [20]. This universal feature is also supported by explicit computations for the free fermion and free boson CFTs { for which the EE was calculated by using the replica trick in conformal perturbation theory by evaluating correlators of twist fields with higher spin operators [21]. Furthermore, this serves as a verification of the holographic EE proposal constructed from Wilson lines in higher spin gravity [22, 23]. We also examine relative entropy [24] in the context of higher-spin holography [25]. Relative entropy is a measure of distinguishability between two quantum states. We confirm the expected short-distance behaviour of relative entropy from holography. This is done by showing that the difference in the modular Hamiltonian between a high-temperature state and the vacuum matches with the difference in the entanglement entropy in the short-subsystem regime.