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Anticipation refers to preparation for upcoming events in the environment (Clark, 1998; Ondobaka & Bekkering, 2007; Allen & Friston, 2016). The ability to anticipate – as manifested in the preparatory actions and neural activation in expectation of an upcoming target stimulus – may play a key role in the development of cognitive skills. In the current study, cognitive skills are specified as the execution of stimulus-relevant, goal-directed actions (as indexed by reaction time) and individual differences in the ability to use goals to direct action (as indexed by executive function measures). A cross-sectional investigation was conducted in 40 adults and 40 6- to 8-year-old children to examine the association of neural correlates of anticipatory attention to visual, tactile and auditory stimuli with inter- and intra-individual variation in executive function (EF) abilities. Consistent with prior findings (Weiss, Meltzoff, & Marshall, 2018), the sensorimotor mu rhythm in the alpha range of the EEG signal was suppressed in the contralateral hemisphere during anticipation of tactile stimulation, with the extent of this suppression being related to children’s performance on EF tasks. Within-subject relations were also found between lateralized EEG modulation and single-trial reaction time responses to target stimuli. This relation was evident for visual and tactile stimuli (but not auditory stimuli) and was more prominent in adults than children. Further, these relations were responsible for significant variance in executive function scores using a multi-level model. Results indicated that inter-individual differences in anticipatory sensorimotor mu modulation (not visual alpha or auditory tau rhythms) contributed to the significant association with executive function variability. I discuss anticipatory EEG oscillations as an empirical, quantifiable indicator of stimulus prediction, advancing anticipation as a bridge concept embedded in neuroscientific, behavioral, computational and developmental science. / Psychology

<p> A quantum particle moving in a periodic potential, with periodicity d, when acted by an external constant force F undergoes the dynamical phenomenon of Bloch-Zener oscillations (BZO). We investigate BZO of a neutral cold atom in an optical cavity pumped by a laser. We find that the single mode electromagnetic field of the optical cavity is affected by the atomic dynamics and propose the idea that a measurement of the electromagnetic field leaking out of the cavity will reflect the BZO frequency WB = Fd/h, and can be used for a precision measurement of F. The motivation for such a study comes from the fact that if the force F is gravity, then one can probe gravitational forces on sub-millimeter scales since the size of these systems are generally a few hundreds of microns. Such a study can be used to detect deviations from Newtonian gravity at short range proposed by some theories beyond the standard model of particle physics. </p> / Thesis / Master of Science (MSc)

Small oscillations of a beam-column with finite electrical conductivity in a transverse magnetic field are examined under the assumption that the vibration of the bar causes only a weak perturbation in the electromagnetic-field. The frequency equation is derived for a column and reduced to that for free vibration of a beam by equating the end load to zero. The roots of this equation are obtained approximately and the effect of the magnetic field on the frequencies is noted. In addition, the elastic stability of a conducting column and beam-column are investigated. The effect of the magnetic field on the buckling load is determined. Numerical results are presented which indicate that the effect of the dynamic electromagnetic forces is negligible except at extremely high frequencies of vibration. / M.S.

A procedure to generate an approximate bifurcation diagram for a single-degree-of-freedom system in a selected parameter space is developed. The procedure is based on the application of Floquet analysis to determine the stability of second-order perturbation approximations of the solutions of the system in the neighborhoods of specific resonances. As a control parameter is varied, a combination of elementary concepts of bifurcation theory and the proposed method are used to detect the first bifurcation from the periodic solutions and hence infer the qualitative changes that the system experiences. Codimension-one bifurcations are investigated in a two-dimensional parameter space composed of the amplitude and frequency of the excitation. The behavior of a softening Duffing oscillator is analyzed under external and parametric excitation. The dynamics of a ship rolling in waves is also considered and three types of excitations are treated: external, parametric, and a combination of both. Analog- and digital-computer simulations are used to verify the accuracy of the analytical predictions. It is found that the predictions based on the first bifurcation of the analytical solution give a good estimate of the actual behavior of the system. The stability regions of the solutions near each of the resonances display a self-similar structure in the parameter space. The physical implications of these bifurcation patterns are important for the prediction of the capsizing of ships. The dangerous regions of the parameter space where capsizing might occur are identified for a given system. Capsizing is found to occur via two distinct scenarios: one evolving from a large oscillation through a disappearance of a chaotic attractor (crises) and a second, potentially more dangerous, developing from a small oscillation through a sudden tangent instability. These scenarios agree with previous experimental studies. / Ph. D.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La présente thèse s’articule autour de deux sujets. Le premier concerne la localisation des électrons en présence d’impuretés ou d’interfaces dans le réseau hexagonal. Le deuxième, en revanche, traite de l’accumulation de spin dans un supraconducteur hors-Équilibre de type s.Le graphène est la principale motivation de la première partie. Ce matériau bidimensionnel consiste en un feuillet d’atomes de carbones et peut être décrit comme un réseau hexagonal, c’est-à-dire un réseau de Bravais triangulaire avec un motif diatomique. La structure de bande électronique révèle alors l’existence d’électrons de Dirac sans masse et chiraux à basse énergie.D’une part, il est possible d’annihiler ces fermions chiraux en étirant de façon uni-Axiale le matériau. Pour une valeur seuil de l’étirement, les électrons deviennent massiques et non-Relativistes, ce qui définit une transition de phase dite de Lifshitz. Afin de caractériser cette transition, nous étudions la diffusion des électrons sur des impuretés en fonction de l’étirement. Une impureté localisée induit des interférences quantiques dans la densité électronique, connues sous le nom d’oscillations de Friedel. Etant sensibles à la nature chirale des électrons, nous montrons que ces oscillations décroissent selon des lois de puissances qui permettent de caractériser chacune des phases de la transition. La même étude est réalisée dans le cas limite où le diffuseur est une lacune.D’autre part, le motif diatomique du réseau hexagonal propose aussi une incursion dans le monde des isolants et supraconducteurs topologiques. Pour ces systèmes, la caractérisation topologique de la structure de bande électronique permet de prédire l’existence d’états de bord aux interfaces. Nous développons notamment un modèle de supraconducteur topologique basé sur le réseau hexagonal du graphène, en présence de supraconductivité de type singulet (s ou d). Lorsque la symétrie par renversement du temps est brisée par un champ Zeeman, et en présence de couplage spin-Orbit Rashba, nous donnons une prescription qui permet de caractériser les différentes phases topologiques possibles et de prédire l’apparition d’états de bord (états de Majorana) dans des nano-Rubans de graphène.La seconde partie discute l’accumulation de spin dans un supraconducteur hors-Équilibre, joint à un ferromagnétique. Lorsqu’il est à l’équilibre, le supraconducteur est composé de quasiparticules et d’un condensat. L’injection de particules polarisées en charge et en spin, à savoir des électrons polarisés en spin, induit une accumulation de spin et de charge à l’intérieur du supraconducteur. Si l’injection cesse, les populations de spin et de charge vont relaxer vers l’équilibre, mais pas nécessairement sur des échelles de temps identiques. Récemment, la réalisation d’une expérience a mis en évidence que le la charge pouvait relaxer bien plus rapidement que le spin. Afin de confirmer cet effet, une nouvelle expérience a été réalisée grâce à des mesures établies dans le domaine fréquentiel. Ici, nous adressons un model relatif à cette dernière expérience, dans le but d’extraire le temps caractéristique de relaxation du spin qui s’avère être de l’ordre de quelques nanosecondes. / Two fields of research define the framework in which the present thesis can be apprehended. The first one deals with impurity and boundary modes in the hexagonal lattice. The second one concerns a spin accumulation in an out-Of-Equilibrium superconductor.Two fields of research define the framework in which the present thesis can be apprehended. The first one deals with impurity and boundary modes in the hexagonal lattice. The second one concerns a spin accumulation in an out-Of-Equilibrium superconductor.Graphene is the main motivation of the first part. From a crystallographic perspective, the carbon atoms in graphene, a graphite layer, design a triangular Bravais lattice with a diatomic pattern. This gives rise to an extra degree of freedom in the electronic band structure that crucially reveals chiral massless Dirac electrons at low-Energy. First of all, it is possible to make these chiral fermions annihilate when a uniaxial strain stretches the graphene layer. For a critical value of the strain, all the fermions become massive and nonrelativistic, which defines a Lifshitz transition. We study the impurity scattering as a function of the strain magnitude. A localised impurity yields quantum interferences in the local density of states that are known as Friedel oscillations. Because they are affected by the chiral nature of the electrons, we show that the decaying laws of these oscillations are specific to the phase the system belongs to. Thus, the impurity scattering offers the possibility to fully characterise the transition.Second, the diatomic pattern of the graphene lattice can also be considered as an invitation to the world of topological insulators and superconductors. The existence of edge states in such systems relies on the topological characterization of the band structure. Here we especially introduce a model of topological superconductor based on the honeycomb lattice with induces spin-Singlet superconductivity. When a Zeeman field breaks the time-Reversal invariance, and in the presence of Rashba spin-Orbit interactions, we give a prescription to describe the topological phases of the system and predict the emergence of Majorana modes (edge states) in strained and doped nanoribbons.The second part discusses the study of a spin accumulation in an out-Of-Equilibrium s-Wave superconductor. At the equilibrium, the superconductor is made of particles coupled by a s-Wave pairing, as well as unpaired quasiparticles. Injecting spin-Polarised electrons into the superconductor induces charge and spin imbalances. When the injection stops, it may happen that charge and spin do not relax over the same time-Scale. The first experiment that points out such a spin-Charge decoupling has recently been realised. In order to confirm this chargeless spin-Relaxation time, a new experiment has been developed [96], based on measurements in the frequency domain. Here, we address a model that fits the experimental data and thus enables the extraction of this characteristic time that is of the order of a few nanoseconds.

La mémoire est communément définie comme la capacité de coder, stocker et rappeler les informations que nous avons perçues. Lorsque nous traversons le monde, nous ressentons des stimuli, nous assistons à des événements, nous constatons des faits, nous étudions des concepts et nous acquérons des compétences. Bien que la mémoire soit un comportement humain inné et familier, les mécanismes cérébraux qui nous fournissent de telles facultés sont loin d'être compris. Des études expérimentales ont montré que, lors des tâches de mémoire, certaines structures cérébrales présentent une activité synchrone qui est censée être corrélée avec le maintien à court terme des stimuli saillants. L'objectif de cette thèse est d'utiliser la modélisation mathématique biologiquement inspirée et des simulations d'activité neuronale pour éclairer les mécanismes permettant l'émergence de ces oscillations synchrones liées à la mémoire. Nous nous concentrons en particulier sur l'activité mnémonique de l'hippocampe pendant l'état éveillé, et l'amnésie et la consolidation inattendue de la mémoire sous anesthésie générale. Nous commençons par présenter un modèle détaillé de neurone pyramidal qui se trouve couramment dans les zones CA3 et CA1 de l'hippocampe. Stimulé par une courte impulsion de courant, le neurone produit une activité persistante maintenue pour de longues périodes (> 30s) au-delà du stimulus uniquement par des récepteurs calciques non spécifiques (CAN). Les paramètres du modèle sont dérivés des enregistrements in vitro de neurones hippocampiques réalisés par nos collaborateurs Beate Knauer et Motoharu Yoshida à l'Université de la Ruhr à Bochum, en Allemagne. Par la suite, nous étudions la dynamique d'une population de ces neurones pyramidaux-CAN interconnectés. Nous supposons que les réseaux de neurones à tir persistant pourraient fournir le mécanisme neuronale pour la maintenance des oscillations hippocampiques mnésiques. Nos résultats montrent que le réseau génère une activité oscillante auto-soutenue dans la fréquence thêta. Lors de la connexion du réseau pyramidal-CAN à des interneurones inhibiteurs, la dynamique du modèle révèle que l'inhibition rétroactive améliore la robustesse des oscillations thêta rapides, en resserrant la synchronisation des neurones pyramidaux. Nous démontrons que, dans le modèle, la fréquence et la puissance spectrale des oscillations sont modulées uniquement par le courant CAN, permettant une large gamme de fréquences d'oscillation dans la bande theta. Il s'agit d'un mécanisme biologiquement plausible pour la maintenance des oscillations thêta synchrones dans l'hippocampe qui vise à étendre les modèles traditionnels d'activité rythmique hippocampique entraînée par le septum. En outre, nous présentons une étude approfondie des effets perturbateurs de l'anesthésie générale sur les oscillations gamma dans l'hippocampe. Nous introduisons un nouveau modèle qui prend en compte les quatre principaux effets de l'agent anesthésique propofol sur les récepteurs GABAA. Nos résultats indiquent que l'inhibition tonique médiée par le propofol contribue à améliorer la synchronisation du réseau dans un réseau d'interneurones de l'hippocampe. Cette synchronisation améliorée pourrait fournir une explication possible pour l'apparition d'une conscience intra-opératoire, d'une formation explicite de la mémoire et même d'une excitation paradoxale sous anesthésie générale, en facilitant la communication entre structures cérébrales qui ne devraient pas être autorisées à le faire lorsqu'elles sont anesthésiées. En conclusion, les résultats décrits dans cette thèse fournissent de nouvelles idées sur les mécanismes sous-jacents de l'activité neuronale mnémonique, à la fois au cours du réveil et de l'anesthésie, en ouvrant des voies convaincantes pour les travaux futurs sur les applications cliniques qui s'attaquent aux maladies de la mémoire neurodégénératives et la surveillance de l'anesthésie. / Memory is commonly defined as the ability to encode, store, and recall information we perceived. As we experience the world, we sense stimuli, we witness events, we ascertain facts, we study concepts, and we acquire skills. Although memory is an innate and familiar human behaviour, the interior workings of the brain which provide us with such faculties are far from being fully unravelled. Experimental studies have shown that during memory tasks, certain brain structures exhibit synchronous activity which is thought to be correlated with the short-term maintenance of salient stimuli. The objective of this thesis is to use biologically-inspired mathematical modelling and simulations of neural activity to shed some light on the mechanisms enabling the emergence of these memory-related synchronous oscillations. We focus in particular on hippocampal mnemonic activity during the awake state, and the amnesia and paradoxical memory consolidation occurring under general anaesthesia. We begin by introducing a detailed model of a type of persistent-firing pyramidal neuron commonly found in the CA3 and CA1 areas of the hippocampus. Stimulated with a brief transient current pulse, the neuron displays persistent activity maintained solely by cholinergic calcium-activated non-specific (CAN) receptors, and outlasting the stimulus for long delay periods (> 30s). Our model neuron and its parameters are derived from experimental in-vitro recordings of persistent firing hippocampal neurons carried out by our collaborators Beate Knauer and Motoharu Yoshida at the Ruhr University in Bochum, Germany. Subsequently, we turn our attention to the dynamics of a population of such interconnected pyramidal-CAN neurons. We hypothesise that networks of persistent firing neurons could provide the neural mechanism for the maintenance of memory-related hippocampal oscillations. The firing patterns elicited by this network are in accord with both experimental recordings and modelling studies. In addition, the network displays self-sustained oscillatory activity in the theta frequency. When connecting the pyramidal-CAN network to fast-spiking inhibitory interneurons, the dynamics of the model reveal that feedback inhibition improves the robustness of fast theta oscillations, by tightening the synchronisation of the pyramidal CAN neurons. We demonstrate that, in the model, the frequency and spectral power of the oscillations are modulated solely by the cholinergic mechanisms mediating the intrinsic persistent firing, allowing for a wide range of oscillation rates within the theta band. This is a biologically plausible mechanism for the maintenance of synchronous theta oscillations in the hippocampus which aims at extending the traditional models of septum-driven hippocampal rhythmic activity. In addition, we study the disruptive effects of general anaesthesia on hippocampal gamma-frequency oscillations. We present an in-depth study of the action of anaesthesia on neural oscillations by introducing a new computational model which takes into account the four main effects of the anaesthetic agent propofol GABAergic hippocampal interneurons. Our results indicate that propofol-mediated tonic inhibition contributes to enhancing network synchronisation in a network of hippocampal interneurons. This enhanced synchronisation could provide a possible mechanism supporting the occurrence of intraoperative awareness, explicit memory formation, and even paradoxical excitation under general anaesthesia, by facilitating the communication between brain structures which should supposedly be not allowed to do so when anaesthetised. In conclusion, the findings described within this thesis provide new insights into the mechanisms underlying mnemonic neural activity, both during wake and anaesthesia, opening compelling avenues for future work on clinical applications tackling neurodegenerative memory diseases, and anaesthesia monitoring

Ces travaux de thèse concernent l’étude des effets des oscillations de faibles amplitudes sur la durée de vie en fatigue de contact pour des composants d’actionneurs de vol. Des outils théoriques et expérimentaux ont pour cela été employés.Un modèle semi-analytique de contact rugueux élasto-plastique a été codé puis utilisé. Celui-ci, couplé au modèle de Dang Van, a permis de réaliser une étude théorique de l’influence du sens de passage de contacts sur la durée de vie en fatigue. Une comparaison en fatigue entre mouvements continus et mouvements oscillants a ainsi pu être faite.Un banc bi-disque a été spécifiquement développé chez UTAS pour pouvoir réaliser des essais de fatigue de roulement aussi bien en mouvements continus qu’en mouvements oscillants. Des essais de lubrification ont été réalisés sur des éprouvettes en XD15NW et en CX13VD afin de caractériser le phénomène de faux effet Brinell. Des essais de fatigue en lubrification optimale ont finalement été réalisés sur les éprouvettes en XD15NW en mouvements continus et en mouvements oscillants, les résultats ont été comparés et mis en vis-à-vis avec ceux de l’analyse théorique. / This PhD thesis is a study of small reciprocating motions effects on contact fatigue life of flight actuator components. Theoretical and practical tools are used for this purpose.A semi-analytical elasto-plastic rough contact code has been implemented and, then, used. This code, associated with Dang Van model, allowed us to perform a theoretical study of rolling direction effect on fatigue life. A comparison has been made between continuous motions and reciprocating motions.A twin-disc test bench has been specifically design at UTAS to allow us to perform rolling fatigue tests with continuous motions or with reciprocating motions. Lubrications tests have been done on XD15NW and CX13VD samples in order to study false brinelling phenomenon. Finally, fatigue tests in ideal lubrication conditions have been done on XD15NW samples with continuous motions and with reciprocating motions, results have been cross-checked each other and cross-checked with theoretical results.

Le champ électromagnétique térahertz (THz) se situe dans l'intervalle de fréquence entre l'infrarouge et les micro-ondes, à peu près entre 1 THz à 10 THz. Ce domaine est hautement souhaitable tant pour la recherche fondamentale que pour les applications. Pourtant des sources THz compacts et accordables ne sont pas encore disponibles. Depuis la première proposition en 1970, les superréseaux semiconducteurs, dans lequel deux couches semi-conductrices atomiques avec bande interdite différente sont disposés périodiquement, fournissent de nouvelles possibilités. De nouvelles techniques et de nouveaux dispositifs deviennent réalisables. Dans cette thèse, les oscillations de Bloch dans des mini-bandes électroniques d’un superréseau polarise et la dispersion du gain associée sont utilisées pour réaliser une source THz compacte et accordable : l’oscillateur de Bloch THz. Un premier ensemble de dispositifs utilisent des réseaux dopes spécifiquement conçus pour éviter la formation de domaine d’accumulation de charges. Ces dispositifs utilisent une surface semi-isolante ou deux surfaces métalliques permettant un guidage par plasmon de surface. Cependant, malgré la réalisation de couplage par les bords ou par un réseau diffractant en surface et des mesures directes ou avec un interféromètre a transformation de Fourrier (FTIR), l’électroluminescence a été observée dans le domaine térahertz, avec un gain qui n’a pas pu etre relie aux oscillations de Bloch. Avec des superréseaux non dope, l'émission THz des oscillations de Bloch a été détectée par spectroscopie dans le domaine temporel. La dépendance de la fréquence d’émission avec le champ électrique appliqué constitue une preuve directe des oscillations de Bloch. L’échelle de Wannier Stark des trous sous pompage optique continu a aussi été observe dans les superréseaux non dopes. Avec l’augmentation de la puissance de pompage optique, les pics du photocourant se décalent et leurs formes deviennent asymétriques. L’évolution est attribue a l’accumulation des porteurs photogénérés dans les deux couches encadrant le superréseau. En outre, pour une puissance de pompage élevée, la bistabilité du photocourant a été également observée. / Terahertz (THz) electromagnetic field, which lies in the frequency gap between the infrared and microwave, roughly between 1 THz to 10 THz, is highly desirable for both fundamental research and application. Yet tuneable compact THz sources are still not available. On the other hand, ever since first proposed in 1970, semiconductor superlattice provides new playground for various new technique and devices of tremendous research and application interest. In this thesis, an innovative theme, relying on Bloch oscillations in a dc biased semiconductor superlattice, is explored to realize tunable compact THz source THz Bloch oscillator. For doped superlattice Bloch oscillator, we designed quantum cascade super-superlattice structure to realize Bloch oscillations whilst prohibit electrical domain formation. The designed structures were processed into various waveguide and grating devices for electroluminescence detection using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The Bloch gain of semi-insulating surface plasmon waveguide device was also measured using THz time domain spectroscopy. Even though the electroluminescence and gain at THz regime were observed, no direct evidence of Bloch emission was confirmed. For undoped superlattice, the THz emission from Bloch oscillations was observed by time domain spectroscopy. At last, the photocurrent corresponding to heavy hole and Wannier Stark Ladder (WSL) states transitions in undoped superlattice was studied. Under CW laser pumping, the photocurrent as function of the applied voltage showed multiple WSL peaks, which indicated laser induced and controllable negative differential conductance (NDC). With increasing pumping power, the nonlinear NDC regime and bistable states were investigated as well.