Dans cette thèse, on s’intéresse à l'étude théorique et à la simulation numérique de la dynamique de charges et de spins dans des nano-structures métalliques. Ces dernières années la physique des nano-structures métalliques à connu un intérêt croissant, aussi bien d'un point de vue de la physique fondamental que d'un point de vue des applications technologiques. Il est donc essentiel d'avoir des modèles théoriques nous permettant de décrire correctement ce type d'objets. Cette thèse comporte deux études distinctes. Dans un premier temps on utilise un modèle semi-classique dans l'espace des phases afin d'étudier la dynamique de charges et de spins dans des films ferromagnétiques(Nickel). On décrit dans le même modèle le magnétisme itinérant et le magnétisme localisé. On montre qu'il est possible, en excitant le système avec un laser pulsé femtoseconde dans le domaine du visible, de créer un courant de spin oscillant dans la direction normal du film sur des temps ultrarapides(femtoseconde). Dans un second temps on s’intéresse à la dynamique de charge d'électrons confinés dans des nano-particules d'Or ou bien encore par des potentiels anisotropes. On montre que de telles systèmes sont des candidats intéressant pour faire de la génération d'harmoniques. / In this thesis we focus on the theoritical description and on the numerical simulation of the charge and spin dynamics in metallic nano-structures. The physics of metallic nano-structures has stimulated a huge amount of scientific interest in the last two decades, both for fundamental research and for potential technological applications. The thesis is divided in two parts. In the first part we use a semiclassical phase-space model to study the ultrafast charge and spin dynamics in thin ferromagnetic films (Nickel). Both itinerant and localized magnetism are taken into account. It is shown that an oscillating spin current can be generated in the film via the application of a femtosecond laser pulse in the visible range. In the second part we focus on the charge dynamics of electrons confined in metallic nano-particles (Gold) or anisotropic wells. We show that such systems can be used for high harmonic generation.

Nous présentons dans ce manuscrit un neurone électronique expérimental basé sur le modèle complet de Morris-Lecar sans simplifications, afin d’obtenir une cellule de base pour étudier l’association collective de neurones couplés. La conception du circuit est donnée en détail selon les différents courants ioniques du modèle. Les résultats expérimentaux sont comparés aux prédictions théoriques, conduisant à un bon accord, ce qui valide donc notre circuit. Nous présentons les différents domaines de bifurcation selon les paramètres de contrôle, la capacité membranaire et le courant d’excitation. Nous avons mis en évidence le comportement du neurone pour chaque zone de paramétrage. Un couplage de ces neurones est introduit en utilisant des simulations Pspice (Multisim) où les neurones ont été conçus pour être les mêmes qu’expérimentalement. Premièrement, nous avons simulé une chaîne fermée de 26 neurones faiblement couplés le long de laquelle les ondes se propagent avec des phases en opposition 2 à 2. Pour cette première étude, on travaille dans une zone présentant uniquement un cycle limite stable. Deuxièmement, une dizaine de neurones sont couplés, avec un choix de paramètres correspondant à une deuxième zone où il y a deux attracteurs, un cycle limite stable et un point fixe stable, tandis qu’entre eux se trouve un cycle instable. Selon le nombre de neurones qui oscillent initialement et les conditions aux bords, nos études montrent que le système évolue vers un état où seuls 1, 2 ou 3 neurones restent à l’état oscillatoire, tandis que les autres sont retournés à un état de repos, ce qui met en évidence un phénomène de clusterisation. Il est à noter que certaines parties de notre circuit de base peuvent ainsi être utilisées dans d’autres modèles de neurones, car ces parties correspondent à la production des divers courants ioniques qu’on retrouve dans d’autres modèles. / We present in this manuscript an experimental electronic neuron based on complete Morris-Lecar model without simplifications, able to become an experimental unit tool to study collective association of robust coupled neurons. The circuit design is given in details according to the ionic currents of this model. The experimental results are compared with the theoretical prediction, leading to a good agreement between them, which therefore validates the circuit. We present the different areas according to the bifurcation control parameters, the membrane capacitance and the excitation current. We have highlighted the behavior of the neuron for each parameters zone. A coupling of such neurons is introduced by using Pspice simulations (Multisim) where neurons have been designed to be the same as the experimental one. First, we simulate a chain of up to 26 neurons weakly coupled along which anti-phase wave patterns propagate with phases in opposition 2 to 2. Second, about ten neurons are coupled, and we succeed to generate clusters based on the boundary conditions of theneurons and their initial conditions. For this study, we work in the region close to the fold bifurcation of limit cycles, where two limit cycles exist, one being stable and another one unstable. Our studies show that the system evolves to a state where only 1, 2 or 3 neurons remain in the oscillatory state, while others returned to a state of rest, which highlights a phenomenon of clustering. The use of some parts of the circuit is also possible for other neuron models, namely for those based on ionic currents.

Cette thèse traite de la manière dont le musicien contrôle les régimes d'oscillation d'un instrument de la famille des cuivres. L'’association d’'un instrument et d'un musicien forme un système dynamique complexe. Le couplage non linéaire entre les lèvres et la colonne d’'air peut mener à un régime stationnaire, des auto-oscillations périodiques ou quasi-périodiques. De nombreux paramètres de contrôle permettent à un musicien de choisir le régime d’oscillation.Deux approches sont utilisées pour comprendre l’'émergence des régimes de l’'instrument et leur contrôle par le musicien. D'’une part, on étudie un modèle physique de cuivre, consistant en une valve à 1 degré de liberté couplée non linéairement à une expression modale de l’'impédance d’'entrée de l’'instrument. Les caractéristiques des régimes de ce modèle sont étudiés par analyse de stabilité linéaire, simulation numérique et équilibrage harmonique. L’'objectif est d'’estimer la capacité de ce modèle à reproduire le comportement de l’'instrument. Un outil expérimental est également développé pour mesurer simultanément des paramètres de contrôle employés par les musiciens et des variables de jeu.Les résultats améliorent la compréhension des régimes d’oscillation des cuivres. Les mesures expérimentales donnent les plages de variation des paramètres de jeu. Les résultats des méthodes d'’analyse se complètent, donnant une vision globale de l’'apparition des régimes oscillants du modèle et des informations détaillées sur certains points de fonctionnement. Certaines situations de jeu particulières sont étudiées: note pédale du trombone, ’influence de l’'utilisation d’'une sourdine et nature des sons multiphoniques. / This thesis focuses on how a musician controls and chooses the oscillation regimes of brass instruments.The association of an instrument and a musician is a complex dynamical system. The nonlinear coupling between the lips and the resonator can lead to a stationary regime, periodic or quasi-periodic self-sustained oscillations. Through several control parameters, a musician can select the desired regime.Two approaches are developed to understand the emergence of the instrument oscillation regimes and how a musician controls it. A physical model of brass instrument is studied. It consists in a one-degree-of-freedom lip valve nonlinearly coupled to a modal fit of the input impedance of the instrument. The features of several oscillation regimes of this model are studied through linear stability analysis, numerical simulation and harmonic balance. Goals are the assessment of the ability of this model to reproduce the behavior of the modelled instrument. An experimental setup is also developed to measure simultaneously playing parameters used by a musician and instrument variables.Results provide a better understanding of the behavior of brass instrument oscillation regimes. Measurements provide ranges of the control parameters. Results of the analysis methods of the model are complementary. A global vision of the occurrence of certain oscillation regimes is provided, along with more detailed information for some operating points. Some specific playing situations are examined in detail, such as the trombone pedal note, the influence of a passive or active mute on the latter, and the nature of multiphonic sounds.

Les solitons dissipatifs (SD) sont des paquets d'onde auto-localisés qui apparaissent dans les systèmes dissipatifs spatialement étendus. En optique, tous les SD observés jusqu'à présent dans des systèmes propagatifs peuvent être classés en deux catégories, suivant la présence ou non d'un forçage externe, i.e. si la symétrie de phase est brisée ou non. Dans les systèmes forcés, les DS sont accrochés en phase au forçage alors que sans forçage, leur phase est libre et peu dériver en fonction du temps. Dans cette thèse nous étudions la formation d'états localisés propagatifs dans deux systèmes expérimentaux qui diffèrent fondamentalement par la présence ou l'absence d'un forçage externe. Le premier système est un laser à semiconducteur à cavité verticale (VCSEL) soumis à une boucle de rétro-action sélective en fréquence, qui accueille des DS se formant dans la dimension transverse à la propagation (2D). Nous analysons comment la synchronisation des fréquences longitudinales du système (verrouillage modal) peut mener à la formation d'un état localisé dans les trois dimensions : balles de lumière. Le deuxième système est un laser en anneau à semi-conducteur fortement multimode le long de la propagation, et forcé par une injection externe. Lorsque le forçage est légèrement désaccordé de la fréquence naturelle du système, il est possible d'observer des états localisés constitués par un tour de phase de 2 pi, immergés dans l'état homogène (synchronisé). Nous reportons ainsi la première observation de SD qui se forment dans la phase de l'onde optique : solitons de phase dissipatifs / Dissipative solitons (DS) are self-localized wave-packets appearing in spatially extended dissipative systems. In optics, all the DS that have been observed in propagative systems can be cast in two categories, depending on the presence or absence of an external forcing, i.e. the phase symmetry is broken or not. In forced systems, DS are locked in phase to forcing whereas without forcing, their phase is free an can wander in the course of time. In this thesis, we study the formation of propagative DS in two different experimental systems that fundamentally differ from the presence or lack of an external forcing. The first one is a Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) submitted to a frequency selective feedback, in which DS form in the transverse plane of the system (2D). We analyze how the synchronization of the longitudinal frequencies (mode-locking) can give rise to tri-dimensionnal localization of light: light bullets. The second system is a highly multimode semiconductor ring laser with external forcing, whose spatial extension takes place along the propagation dimension. When the forcing frequency is slightly detuned from the natural frequency of the system, we can see the appearance of self-confined 2 pi phase rotations embedded in a homogeneous (synchronized) state. We then report on the first observation of DS that form in the phase of the optical wave : dissipative phase solitons

The flow of polymer solutions in the high Elasticity number, El, regime in complex geometries may lead to strong viscoelastic behaviour and eventually become unstable as the Weissenberg number, Wi, is increased beyond a critical level. So far, the success of numerical simulations in predicting the highly non-linear behaviour of polymer solutions in complex flows has been limited. In this thesis, selected constitutive models are evaluated under the high El flow regime in the cross-slot and contraction benchmark flows using a numerical technique based on the finite volume method. The numerical technique is implemented within the OpenFOAM framework and thoroughly validated in the benchmark flow. A modification to the FENE dumbbell model based on the non-affine deformation of polymer solutions is proposed, which enabled the prediction of some non-linear material functions and also enhanced numerical stability, allowing a higher Wi to be attained. Asymmetric flow instability in the cross-slot flow has been studied. Time-dependent stability diagrams were constructed based on Wi and the strain, ε, both of which govern the stretching of a polymer chain. In the contraction flow, elastic instability is simulated for the first time in this geometry. Substantial time-dependent asymmetric flow patterns were predicted as seen in experiments. The effect of the contraction ratio is investigated through a stability diagram. Three-dimensional finite element simulations were also carried out to study the effect of the aspect ratio in the contraction flow of a Phan-Thien-Tanner fluid. The simulations suggest that a lip vortex mechanism is a signature for the onset of strong viscoelastic behaviour.

Kollektives Handeln ist erforderlich um nachhaltige Entwicklungspfade in gekoppelten sozial-ökologischen Systemen zu erschließen, fernab von gefährlichen Kippelementen. Ohne anderen Modellierungsprinzipien ihren Nutzen abzuerkennen, schlägt diese Dissertation die Agent-Umwelt Schnittstelle als die mathematische Grundlage für das Modellieren sozial-ökologischer Systeme vor. Zuerst erweitert diese Arbeit eine Methode aus der Literatur der statistischen Physik über Lerndynamiken, um einen deterministischen Grenzübergang von etablierten Verstärkungslernalgorithmen aus der Forschung zu künstlicher Intelligenz herzuleiten. Die resultierenden Lerndynamiken zeigen eine große Bandbreite verschiedener dynamischer Regime wie z.B. Fixpunkte, Grenzzyklen oder deterministisches Chaos. Zweitens werden die hergeleiteten Lerngleichungen auf eine neu eingeführte Umwelt, das Ökologisches Öffentliches Gut, angewendet,. Sie modelliert ein gekoppeltes sozial-ökologisches Dilemma und erweitert damit etablierte soziale Dilemmaspiele um ein ökologisches Kippelement. Bekannte theoretische und empirische Ergebnisse werden reproduziert und neuartige, qualitativ verschiedene Parameterregime aufgezeigt, darunter eines, in dem diese belohnungsoptimierenden Lern-Agenten es vorziehen, gemeinsam unter einem Kollaps der Umwelt zu leiden, als in einer florierenden Umwelt zu kooperieren. Drittens stellt diese Arbeit das Optimierungsparadigma der Lern-Agenten in Frage. Die drei Entscheidungsparadimen ökonomischen Optimierung, Nachhaltigkeit und Sicherheit werden systematisch miteinander verglichen, während sie auf das Management eines umweltlichen Kippelements angewendet werden. Es wird gezeigt, dass kein Paradigma garantiert, Anforderungen anderer Paradigmen zu erfüllen, sowie dass das Fehlen eines Meisterparadigmas von besonderer Bedeutung für das Klimasystem ist, da dieses sich am Rand zwischen Parameterbereichen befinden kann, wo ökonomische Optimierung weder nachhaltig noch sicher wird. / Collective action is required to enter sustainable development pathways in coupled social-ecological systems, safely away from dangerous tipping elements. Without denying the usefulness of other model design principles, this thesis proposes the agent-environment interface as the mathematical foundation for the design of social-ecological system models. First, this work refines techniques from the statistical physics literature on learning dynamics to derive a deterministic limit of established reinforcement learning algorithms from artificial intelligence research. Illustrations of the resulting learning dynamics reveal a wide range of different dynamical regimes, such as fixed points, periodic orbits and deterministic chaos. Second, the derived multi-state learning equations are applied to a newly introduced environment, the Ecological Public Good. It models a coupled social-ecological dilemma, extending established repeated social dilemma games by an ecological tipping element. Known theoretical and empirical results are reproduced and novel qualitatively different parameter regimes are discovered, including one in which these reward-optimizing agents prefer to collectively suffer in environmental collapse rather than cooperating in a prosperous environment. Third, this thesis challenges the reward optimizing paradigm of the learning equations. It presents a novel formal comparison of the three decision paradigms of economic optimization, sustainability and safety for the governance of an environmental tipping element. It is shown that no paradigm guarantees fulfilling requirements imposed by another paradigm. Further, the absence of a master paradigm is shown to be of special relevance for governing the climate system, since the latter may reside at the edge between parameter regimes where economic welfare optimization becomes neither sustainable nor safe.

The topology of interactions in network dynamical systems fundamentally underlies their function. Accelerating technological progress creates massively available data about collective nonlinear dynamics in physical, biological, and technological systems. Detecting direct interaction patterns from those dynamics still constitutes a major open problem. In particular, current nonlinear dynamics approaches mostly require to know a priori a model of the (often high dimensional) system dynamics. Here we develop a model-independent framework for inferring direct interactions solely from recording the nonlinear collective dynamics generated. Introducing an explicit dependency matrix in combination with a block-orthogonal regression algorithm, the approach works reliably across many dynamical regimes, including transient dynamics toward steady states, periodic and non-periodic dynamics, and chaos. Together with its capabilities to reveal network (two point) as well as hypernetwork (e.g., three point) interactions, this framework may thus open up nonlinear dynamics options of inferring direct interaction patterns across systems where no model is known.

Tato diplomová práce je zaměřena na analýzu chování magnetopiezoelastického kmitajícího nosníku. V teoretické části jsou odvozeny diskretizované parametry, které popisují reálnou soustavu jako model s jedním stupněm volnosti. Tento model je následně použit pro kvalitativní i kvantitativní analýzu chování tohoto harvesteru. Frekvenční odezva harmonicky buzeného systému je zkoumána v dvouparametrické nebo tříparametrické analýze v závislosti na amplitudě buzení, elektrické zátěži a vzdálenosti mezi magnety. Posledně zmíněný parametr je v práci tím hlavním, proto je vliv vzdálenosti magnetů zkoumán také s pomocí bifurkačních diagramů. Tyto diagramy byly navíc použity k vytvoření oscilační "mapy", která pro každé zatěžovací podmínky ukazuje, jakou vzdálenost magnetů je třeba nastavit, aby bylo generováno nejvíce energie. Práce je doplněna o ukázky několika jevů, které mohou značně ovlivnit chování systému, pokud se nejdená o čistě harmonické buzení.

In large and complex systems, failures can have dramatic consequences, such as black-outs, pandemics or the loss of entire classes of an ecosystem. Nevertheless, it is a centuries-old intuition that by using networks to capture the core of the complexity of such systems, one might understand in which part of a system a phenomenon originates. I investigate this intuition using spectral methods to decouple the dynamics of complex systems near stationary states into independent dynamical modes. In this description, phenomena are tied to a specific part of a system through localized eigenvectors which have large amplitudes only on a few nodes of the system's network. Studying the occurrence of localized eigenvectors, I find that such localization occurs exactly for a few small network structures, and approximately for the dynamical modes associated with the most prominent failures in complex systems. My findings confirm that understanding the functioning of complex systems generally requires to treat them as complex entities, rather than collections of interwoven small parts. Exceptions to this are only few structures carrying exact localization, whose functioning is tied to the meso-scale, between the size of individual elements and the size of the global network. However, while understanding the functioning of a complex system is hampered by the necessary global analysis, the prominent failures, due to their localization, allow an understanding on a manageable local scale. Intriguingly, food webs might exploit this localization of failures to stabilize by causing the break-off of small problematic parts, whereas typical attempts to optimize technological systems for stability lead to delocalization and large-scale failures. Thus, this thesis provides insights into the interplay of complexity and localization, which is paramount to ascertain the functioning of the ever-growing networks on which we humans depend.:1 Introduction 2 Concepts and Tools 2.1 Networks 2.2 Food webs 2.3 Dynamics on networks 2.4 Steady state operating modes 2.5 Bifurcations affecting operating modes 2.6 Dynamical modes 2.7 Generalized models for food webs 3 Perturbation Impact 3.1 Impact of perturbations on food webs 3.2 Examples 3.3 Impact formulation with dynamical modes 3.4 Influence and sensitivity of species 3.5 Localized dynamical modes 3.6 Iterative parameter estimation 3.7 Most important parameters and species 3.8 Discussion 4 Exact Localization 4.1 Graph symmetries 4.2 Localized dynamics on symmetries 4.3 Exactly localized dynamics 4.4 Symmetry reduction in networks 4.5 Application to food webs 4.6 Localization on asymmetric structures 4.7 Nearly-exact localization 4.8 Other systems 4.9 Discussion 5 Approximate Localization 5.1 Spread of a dynamical mode 5.2 Examples for localized instabilities 5.3 Localization of extreme eigenvalues 5.4 Dependence on the system size 5.5 Localization in the model of R. May 5.6 Finding motifs that carry localization 5.7 (Self-)stabilization of food webs 5.8 Repairing localized instabilities 5.9 Discussion 6 Conclusions Acknowledgments Appendix A Parametrization of the Gatun Lake food web B The Master Stability Function approach C Approximate localization on larger structures Bibliography

Generic Hamiltonian systems have a mixed phase space, where classically disjoint regions of regular and chaotic motion coexist. For many applications it is useful to approximate the regular dynamics of such a mixed system H by an integrable approximation Hreg. We present a new, iterative method to construct such integrable approximations. The method is based on the construction of an integrable approximation in action representation which is then improved in phase space by iterative applications of canonical transformations. In contrast to other known approaches, our method remains applicable to strongly non-integrable systems H. We present its application to 2D maps and 2D billiards. Based on the obtained integrable approximations we finally discuss the theoretical description of dynamical tunneling in mixed systems. / Typische Hamiltonsche Systeme haben einen gemischten Phasenraum, in dem disjunkte Bereiche klassisch regulärer und chaotischer Dynamik koexistieren. Für viele Anwendungen ist es zweckmäßig, die reguläre Dynamik eines solchen gemischten Systems H durch eine integrable Näherung Hreg zu beschreiben. Wir stellen eine neue, iterative Methode vor, um solche integrablen Näherungen zu konstruieren. Diese Methode basiert auf der Konstruktion einer integrablen Näherung in Winkel-Wirkungs-Variablen, die im Phasenraum durch iterative Anwendungen kanonischer Transformationen verbessert wird. Im Gegensatz zu bisher bekannten Verfahren bleibt unsere Methode auch auf stark nichtintegrable Systeme H anwendbar. Wir demonstrieren sie anhand von 2D-Abbildungen und 2D-Billards. Mit den gewonnenen integrablen Näherungen diskutieren wir schließlich die theoretische Beschreibung von dynamischem Tunneln in gemischten Systemen.