Spectroscopy and quantum transport constitute powerful ways to study the physics of matter and to access the electronic and atomic structure. Excitations, in turn determined by the electronic and atomic structure, lie at the origin of spectroscopy and quantum transport. Ab initio calculation of excited states requires to go beyond ground-state density-functional theory (DFT). In this work we review three theoretical frameworks beyond DFT: the first is time-dependent density-functional theory to describe neutral excitations and to address energy-loss and optical spectroscopies. We introduce the theory and the fundamental approximations, i.e. the RPA and the adiabatic LDA, together with the results one can get with them at the example of bulk silicon and graphite. We then describe the developments we contributed to the theory beyond TDLDA to better describe optical spectroscopy, in particular the long-range contribution-only and the Nanoquanta exchange-correlation kernel approximations. The second framework is many-body quantum field theory (or Green's function theory) in the GW approximation and beyond, well suited to describe photoemission spectroscopy. After a review of the theory and its main success on the prediction of the band gap, we present two applications on unconventional systems: 2D graphene and strongly correlated vanadium dioxide. We discuss the next frontiers of GW, closing with perspectives beyond GW and MBQFT. The last part presents non-equilibrium Green's function theory suited to address quantum transport. We show how it reduces to the state-of-the-art Landauer principal layers framework when neglecting correlations. We present a calculation of the conductance on a very simple system, a gold monoatomic chain, showing the effect of electron-electron scattering effects. Finally we present theoretical developments toward a new workbench beyond the principal layers, which led us to the introduction of new generalized Meir and Wingreen and Fisher-Lee formulas. This work compares the theoretical and practical aspects of both Green's function and density based approaches, each one benefiting insights from the other, and presents an overview of accomplishments and perspectives.

Cette these presente l''etude de la dynamique de modeles, dans le cadre de la transition vitreuse dont une comprehension complete echappe encore a la physique moderne. Nous avons donc, a l'aide de modeles jouets, etudie certaines de ses proprietes caracteristiques. Par exemple, lorsque l'on s'approche de la transition, la dynamique de relaxation du systeme va dramatiquement ralentir. Pour etudier ces systemes intrinsequement hors-equilibre, le principal paradigme utilise dans cette these, est celui des milieux desordonnes. Sous certaines conditions, il va exister une analogie entre le modele desordonne et le systeme reel, qui possede une vraie transition vitreuse structurelle. Si les interactions sont a courte portee, la dynamique de relaxation peut etre reliee a la constante de diffusion du milieu. Si celle-ci s'annule, on passe alors d'un regime de diffusion dit normal, a un regime dit anormal. Cette transition dynamique est alors analogue a la transition vitreuse. Dans cette optique, nous nous sommes interesses a la diffusion de dipoles dans un champ electrique. Le desordre se presente alors sous la forme d'un potentiel electrique aleatoire, le choix le plus naturel est de prendre une statistique Gaussienne. Dans une limite adiabatique, ou les dipoles s'adaptent instantanement aux variations locales du champ, ce modele se reduit a une particule diffusant dans un potentiel effectif aleatoire Gaussien, au carre. Nous montrons alors, exactement en une dimension, et par un calcul de groupe de renormalisation en dimension superieure, que la constante de diffusion du systeme va s'annuler pour une temperature critique non nulle, en dessous de laquelle, le systeme devient sous-diffusif. La dynamique se gele alors, a la maniere d'une transition vitreuse. Nous montrons enfin que, au-dela de l'approximation adiabatique, la transition survit a la meme temperature critique en dimension une.

La modélisation des phénomènes physiologiques induits par un écoulement, tels que l'écoulement sanguin au travers d'une sténose ou l'écoulement d'air lors de la production de parole, repose souvent sur des théories quasi-unidimensionnelles ou bi-dimensionnelles. Cependant, il est établi que le développement des couches limites dépend de la section transversale. Le but de cette thèse est de modéliser, simuler et caractériser l'importance potentielle de la section transversale sur les écoulements laminaires, contrôlés en pression, en l'absence ou en présence d'une constriction. Des coordonnées de translation sont utilisées pour obtenir des solutions pour des écoulement visqueux au travers d'une section de forme arbitraire. Cette paramétrisation est appliquée à la résolution des équations physiques pour des formes à deux et à trois dimensions. Un modèle d'écoulement simplifié quasi-tridimensionnel, qui prend en compte les pertes dissipatives par convection, la viscosité et la forme de la section est présenté et appliqué à la description de l'écoulement le long d'une sténose. Des données expérimentales et issues de simulations numériques sont collectées afin de caractériser l'influence de la forme de la section transversale dans le cas d'une constriction. simulation numérique sont comparées.

The primary goal of the thesis is to study localization of Laplacian eigenfunctions in bounded domains when an eigenfunction is mainly supported by a small region of the domain and vanishing outside this region. The high-frequency and low-frequency localization in simple and irregular domains has been investigated for both Dirichlet and Neumann boundary conditions. Three types of high-frequency localization (whispering gallery, bouncing ball, and focusing eigemodes) have been revisited in circular, spherical and elliptical domains by deriving explicit inequalities on the norm of eigenfunctions. In turn, no localization has been found in most rectangular domains that led to formulating an open problem of characterization of domains that admit high-frequency localization. Using the Maslov-type differential inequalities, the exponential decay of low-frequency Dirichlet eigenfunctions has been extensively studied in various domains with branches of variable cross-sectional profiles. Under an explicit condition, the L2-norm of an eigenfunction has been shown to exponentially decay along the branch with an explicitly computed decay rate. This rigorous upper bound, which is applicable in any dimension and for both finite and infinite branches, presents a new achievement in the theory of classical and quantum waveguides, with potential applications in microelectronics, optics and acoustics. For bounded quantum waveguides with constant cross-sectional profiles, a sufficient condition on the branch lengths has been derived for getting a localized eigenfunction. The existence of trapped modes in typical finite quantum waveguides (e.g L-shape, bent strip and cross of two strips) has been proven provided that their branches are long enough, with an accurate estimate on the required minimal length. The high sensitivity of the localization character of eigenmodes to the length of branches and to the shape of the waveguide may potentially be used for switching devices in microelectronics and optics. The properties of localized eigenmodes in a class of planar spectral graphs have been analyzed. An efficient divide-and-conquer algorithm for solving the eigenproblem of the Laplacian matrix of undirected weighted graphs has been proposed and shown to run faster than traditional algorithms. A spectral approach has been developed to investigate the survival probability of reflected Brownian motion in reactive media. The survival probabilities have been represented in the form of a spectral decomposition over Laplacian eigenfunctions. The role of the geometrical structure of reactive regions and its influence on the overall reaction rate in the long-time regime has been studied. This approach presents a mathematical basis for designing optimal geometrical shapes of efficient catalysts or diffusive exchangers.

La thèse porte sur l'étude de deux classes d'oxyde par spectroscopie d'absorption X, en mode diffraction résonante pour la magnétite et en mode absorption pour les pérovskites. La structure électronique de Fe3O4 a été étudiée au seuil K du Fe pour confirmer/réfuter le modèle d'ordre de charge à basse température. La méthode développée a permis d'obtenir une information quantitative en utilisant un grand nombre de réflexions et de confirmer la présence de l'ordre de charge (Fe2.5±δ δmax=0.12, δmin=0.04). Les pérovskites (PbZrO3 et BaZrO3) ont été étudiés pour mieux comprendre la nature géométrique de leur transition de phase. L'analyse de spectres XANES au seuil K du Zr pour PbZrO3 a infirmé le modèle "déplacement" à basse température mais il a indiqué la conservation des distorsions locales dans sa phase cubique. Une interprétation de la transition structurale ferroélectrique est proposée en terme de changement d'environnement local du Zirconium dans le cadre du modèle "sphérique".

La Théorie de la Fonctionnelle de la Densité dépendant du temps constitue un outil de choix pour l'étude des mécanismes élémentaires d'irradiation moléculaire. Mais les approximations qui lui sont inhérentes n'éliminent pas un effet non physique appelé auto-interaction, ce qui fausse complètement les propriétés d'irradiation. La voie la plus prometteuse permettant de supprimer l'auto-interaction sans introduire aucun paramètre libre supplémentaire est d'utiliser des fonctionnelles "orbitales dépendantes" (méthodes SIC). Seulement, le formalisme usuel qui en découle n'est pas hermitique, faussant dramatiquement les prédictions physiques dans le cas dynamique, et les tentatives visant à rétablir l'hermiticité connaissent toutes des pathologies indésirables. Ainsi, la question, dans le cas dépendent du temps, d'un formalisme SIC exact (TDSIC), satisfaisant les lois de conservation et numériquement manipulable reste une question ouverte. Nous proposons une nouvelle formulation purement variationnelle, contraignant l'orthonormalité et utilisant le degré de liberté de transformation unitaire. Cela permet d'écrire les équations TDSIC exactes sous une forme hermitique (dans le sous espace occupé), satisfaisant toutes les lois de conservation et menant à un schéma numérique de propagation clair. Le prix à payer est que le hamiltonien résultant est explicitement non local, ce qui est plus gourmand numériquement parlant. Cela nous a conduit à proposer, dans un deuxième temps, une approximation locale particulièrement intéressante, que nous avons baptisée "Generalized SIC-Slater". Enfin, nous proposons un ensemble de résultats numériques sur des systèmes moléculaires variés afin de soumettre les formalismes développés au verdict de la nature et les comparer aux formalismes SIC usuels.

The issue of establishing the status of nonlinear elasticity theory for rubber with respect to the point of view of polymer physics is at the heart of this manuscript. Our aim is to develop mathematical methods to describe, understand, and solve this multiscale problem. At the level of the polymer chains, rubber can be described as a network whose nodes represent the cross-links between the polymer chains. This network can be considered as the realization of some stochastic process. Given the free energy of the polymer network, we'd like to derive a continuum model as the characteristic length of the polymer chains vanishes. In mathematical terms, this process can be viewed as a hydrodynamic limit or as a discrete homogenization, depending on the nature of the free energy of the network. In view of the works by Treloar, by Flory, and by Rubinstein and Colby on polymer physics, and in view of the stochastic nature of the network, stochastic discrete homogenization seems to be the right tool for the analysis. Hence, in order to complete our program we need to understand the stochastic homogenization of discrete systems. Two features make the analysis rich and challenging from a mathematical perspective: the randomness and the nonlinearity of the problem. The achievement of this manuscript is twofold: - a complete and sharp quantitative theory for the approximation of homogenized coefficients in stochastic homogenization of discrete linear elliptic equations; - the first rigorous and global picture on the status of nonlinear elasticity theory with respect to polymer physics, which partially answers the question raised by Ball in his review paper on open problems in elasticity. Although the emphasis of this manuscript is put on discrete models for rubber, and more generally on the homogenization of discrete elliptic equations, we have also extended most of the results to the case of elliptic partial differential equations --- some of the results being even more striking in that case.

Master's thesis "Cross-curricular relations at the level of curriculum planning for the educational areas of Mathematics and Its Application and Man and His World (Physics)" discusses the cross-curricular relations between Mathematics and Physics. Thesis is complete with an analysis of textbooks along with additional examples of cross-curricular relations according to the topics of FEP EE for the area of Mathematics and Its Application. Finally, the thesis compiles complex exercises that make use of cross-curricular relations of various subjects, foremostly mathematics and physics, complete with the research of their practical usability.

Mathematics plays a pertinent role in physics. Students' understanding of this role has significant implications in their understanding of physics. Studies have shown that some students prefer the use of mathematics in learning physics. Other studies show mathematics as a barrier in students' learning of physics. In this study the role of mathematics in students' understanding of electricity problems was examined. The study undertakes a qualitative approach, and is based on an intepretivist research paradigm. A survey administered to students was used to establish students' expectations on the use of mathematics in physics. Focus group interviews were conducted with the students to further corroborate their views on the use of mathematics in physics. Copies of students' test scripts were made for analysis on students' actual work, applying mathematics as they were solving electricity problems. Analysis of the survey and interview data showed students' views being categorised into what they think it takes to learn physics, and what they think about the use of mathematics in physics. An emergent response was that students think that, problem solving in physics means finding the right equation to use. Students indicated that they sometimes get mathematical answers whose meaning they do not understand, while others maintained that they think that mathematics and physics are inseparable. Application of a tailor-made conceptual framework (MATHRICITY) on students work as they were solving electricity problems, showed activation of all the original four mathematical resources (intuitive knowledge, reasoning primitives, symbolic forms and interpretive devices). Two new mathematical resources were identified as retrieval cues and sense of instructional correctness. In general, students were found to be more inclined to activate formal mathematical rules, even when the use of basic or everyday day mathematics that require activation of intuitive knowledge elements and reasoning primitives, would be more efficient. Students' awareness of the domains of knowledge, which was a measure of their understanding, was done through the Extended Semantic Model. Students' awareness of the four domains (concrete, model, abstract, and symbolic) was evident as they were solving the electricity questions. The symbolic domain, which indicated students' awareness of the use of symbols to represent a problem, was the most prevalent. / Science and Technology Education / D. Phil. (Mathematics, Science and Technology Education (Physics Education)))

L'information quantique est un nouveau domaine de la physique, qui consiste à employer les systèmes quantiques dans le calcul et la transmission de l'information. Cette thèse est consacrée à l'étude de certains aspects théoriques de l'information quantique. Les ordinateurs quantiques utilisent les lois de la mécanique quantique pour exécuter des calculs d'une manière bien plus efficace que les ordinateurs existants. Les ordinateurs quantiques envisageables dans la pratique seraient influencés par des perturbations diverses. Parmi ces sources de perturbations, les interactions résiduelles statiques (indépendantes du temps) à l'intérieur de l'ordinateur sont connues pour être les plus dangereuses dans le sens où elles peuvent s'ajouter de façon cohérente, tandis que les autres perturbations ont la forme d'un bruit aléatoire avec une moyenne égale à zéro. Nous étudions, dans les cas de deux calculs quantiques très différents, l'efficacité des ordinateurs quantiques en présence d'imperfections statiques. Nous trouvons le domaine des paramètres dans lequel l'ordinateur quantique est robuste en présence des imperfections. Une des raisons fondamentales de l'efficacité extraordinaire de l'ordinateur quantique et de l'existence d'autres applications de l'information quantique est l'effet de l'intrication quantique. L'intrication consiste dans l'impossibilité de considérer un état pur générique d'un système quantique composé comme le simple produit des états purs de ses sous-systèmes. Dans cette thèse nous étudions certaines propriétés importantes d'une certaine mesure quantitative d'intrication largement utilisée. Nous considérons également l'entropie informationnelle moyenne des états quantiques, puis nous trouvons une expression explicite pour cette quantité et étudions ses propriétés les plus importantes.