Propomos neste trabalho um método de construção de gases clássicos, a partir de uma teoria de gauge pura, no formalismo Hamiltoniano com tempo continuo. O metodo e exemplificado com o modelo de gauge U(l) em v=2 dimensões de espaço-tempo. Neste mesmo modelo, podemos verificar uma estrutra não trivial do vácuo (vácuos- e), como consequência da ambiguidade de quotização. Este resultado e obtido sem a utilização dos métodos semi-clássicos. Também exploramos a relação entre esta estrutura de vácuo com o problema do confinamento. / We describe a method for the construction of classical gases , starting from a pure ga uge theory . The method is apllied to the U(l) gauge theory in v=2 spatial dimensions. For this model we can see the vaccua appearing as a consequence of the quantization ambiguity. The connection between the e vaccua and confinement is discussed.

A Tese é constituida de duas partes distintas . Uma parte matemática formal , completa e rigorosa - dos tópicos de Variedades Diferenciáveis, Cálculo Exterior, Geometria Riemanniana , Fibrado Principal (f.p.) com Conexões e Conexões Lineares, e uma segunda parte de aplicação desse Formalismo Matemático a Teorias FÍsicas , em particular o Eletromagnetismo de Maxwell (EM) , Teoria de gauge de Yang- Mills (Y- M) , a TRG, e a Teoria da Gravitação de Einstein-Cartan (E- C). Cada capítulo de aplicação é fechado e sua sequencia está determinada pelo aumento da complexidade matemática, isto é, cada capitulo possui uma estrutura matemática adicional. / The thesis is composed of two different parts. A formal complete and rigorous mathematical part - of topics of Differential Manifolds, Exterior calculus, Riemannian Geornetry, Principal Fiber Bundle (p . f.) with connections and Linear connections - and a second part of application of this mathematical Formalisrn concerning Physical Theories, particularly the Maxwell l\'s Eletrornagnetism (EM) , gauge theory of Yang- Mills (Y-M), the GRT , and the Gravitation Theory of Einstein - Cartan (E . C) . Each chapter of application is complete and its sequence is deterrnined by the increase of mathematical cornplexity, that is, each chapter h s an additional rnathematical structure .

Propomos neste trabalho um método de construção de gases clássicos, a partir de uma teoria de gauge pura, no formalismo Hamiltoniano com tempo continuo. O metodo e exemplificado com o modelo de gauge U(l) em v=2 dimensões de espaço-tempo. Neste mesmo modelo, podemos verificar uma estrutra não trivial do vácuo (vácuos- e), como consequência da ambiguidade de quotização. Este resultado e obtido sem a utilização dos métodos semi-clássicos. Também exploramos a relação entre esta estrutura de vácuo com o problema do confinamento. / We describe a method for the construction of classical gases , starting from a pure ga uge theory . The method is apllied to the U(l) gauge theory in v=2 spatial dimensions. For this model we can see the vaccua appearing as a consequence of the quantization ambiguity. The connection between the e vaccua and confinement is discussed.

A Tese é constituida de duas partes distintas . Uma parte matemática formal , completa e rigorosa - dos tópicos de Variedades Diferenciáveis, Cálculo Exterior, Geometria Riemanniana , Fibrado Principal (f.p.) com Conexões e Conexões Lineares, e uma segunda parte de aplicação desse Formalismo Matemático a Teorias FÍsicas , em particular o Eletromagnetismo de Maxwell (EM) , Teoria de gauge de Yang- Mills (Y- M) , a TRG, e a Teoria da Gravitação de Einstein-Cartan (E- C). Cada capítulo de aplicação é fechado e sua sequencia está determinada pelo aumento da complexidade matemática, isto é, cada capitulo possui uma estrutura matemática adicional. / The thesis is composed of two different parts. A formal complete and rigorous mathematical part - of topics of Differential Manifolds, Exterior calculus, Riemannian Geornetry, Principal Fiber Bundle (p . f.) with connections and Linear connections - and a second part of application of this mathematical Formalisrn concerning Physical Theories, particularly the Maxwell l\'s Eletrornagnetism (EM) , gauge theory of Yang- Mills (Y-M), the GRT , and the Gravitation Theory of Einstein - Cartan (E . C) . Each chapter of application is complete and its sequence is deterrnined by the increase of mathematical cornplexity, that is, each chapter h s an additional rnathematical structure .

Discutimos um modelo de calibre com simetria Z (N) na rede, sendo as variáveis dinâmicas definidas em faces de cubos. Mostramos a dualidade com um sistema de spins Z (N) em quatro dimensões e a autodualidade em seis dimensões para este modelo, utilizando o formalismo da matriz de transferência. Analisamos as funções de correlação invariantes por transformações de calibre, constatando os decaimentos exponenciais com o volume (para altas temperaturas e d &#8805 3) e com a área (para baixas temperaturas e d > 3). Para três dimensões, o modelo não apresenta transição de fase sendo exatamente solúvel. Estudamos também a versão U (1) do modelo e mostramos sua equivalência com uma teoria de campos clássica livre na região de baixas temperaturas / We discussus a model with a Z (N) gauge symmetry on a lattice, the dynamical variables being defined on faces of cubes. The duality with a Z (N) spin system in four dimensions and the selfduality in six dimensions is shown for this model, using the transfer matrix formalism. The gauge invariant correlation functions have been analysed and we verify their exponential decay with volume (at high temperatures and d &#8805 3) and with the área (at low temperatures and d > 3). For three dimensions, the model exhibits no phase transition, being exactly soluble. We also study a U (I) version o four model and show its equivalence with a free classical field theory in the low temperature region

Topological order is a new paradigm for quantum phases of matter developed to explain phase transitions which do not fit the symmetry breaking scheme for classifying phases of matter. They are characterized by patterns of entanglement that lead to topologically depended ground state degeneracy and anyonic excitations. One common approach for studying such phases in two-dimensional systems is through exactly solvable lattice Hamiltonian models such as quantum double models and String-Net models. The former can be understood as the Hamiltonian formulation of lattice gauge theories and, as such, it is defined by a finite gauge group. However, not much is known about topological phases in tridimensional systems. Motivated by this we develop a new class of three-dimensional exactly solvable models which go beyond quantum double models by using finite crossed modules instead of gauge groups. This approach relies on a lattice implementation of 2-gauge theory to obtain models with a richer topological structure. We construct the Hamiltonian model explicitly and provide a rigorous proof that the ground state degeneracy is a topological invariant and that the ground states can only be characterized with nonlocal order parameters. / Ordem topológica é um novo paradigma para fases quânticas da matéria desenvolvido para explicar transições de fase que não se encaixam no esquema de classificação de fases da matéria por quebra de simetria. Estas fases são caracterizadas por padrões de emaranhamento que levam a uma degenerescência de estado fundamental topológica e a excitações anyonicas. Uma abordagem comum para o estudo de tais fases em sistemas bidimensionais é através de modelos Hamiltonianos exatamente solúveis de rede como os modelos duplos quânticos e modelos de String-Nets. O primeiro pode ser entendido como a formulação Hamiltoniana de teorias de gauge na rede e, desta maneira, é definido por um group de gauge finito. Entretanto, pouco é conhecido a respeito de fases topológicas em sistemas tridimensionais. Motivado por isso nós desenvolvemos uma nova classe de modelos tridimensionais exatamente solúveis que vai alem de modelos duplos quânticos pelo uso de módulos cruzados finitos no lugar de grupos de gauge. Esta abordagem se baseia numa implementação em redes de teoria de 2-gauge para obter modelos com uma estrutura topológica mais rica. Nós construímos o modelos Hamiltoniano explicitamente e fornecemos uma demonstração rigorosa de que a degenerescência de estado fundamental é um invariante topológico e que os estados fundamentais só podem ser caracterizados por parâmetros de ordem não locais.

Discutimos um modelo de calibre com simetria Z (N) na rede, sendo as variáveis dinâmicas definidas em faces de cubos. Mostramos a dualidade com um sistema de spins Z (N) em quatro dimensões e a autodualidade em seis dimensões para este modelo, utilizando o formalismo da matriz de transferência. Analisamos as funções de correlação invariantes por transformações de calibre, constatando os decaimentos exponenciais com o volume (para altas temperaturas e d &#8805 3) e com a área (para baixas temperaturas e d > 3). Para três dimensões, o modelo não apresenta transição de fase sendo exatamente solúvel. Estudamos também a versão U (1) do modelo e mostramos sua equivalência com uma teoria de campos clássica livre na região de baixas temperaturas / We discussus a model with a Z (N) gauge symmetry on a lattice, the dynamical variables being defined on faces of cubes. The duality with a Z (N) spin system in four dimensions and the selfduality in six dimensions is shown for this model, using the transfer matrix formalism. The gauge invariant correlation functions have been analysed and we verify their exponential decay with volume (at high temperatures and d &#8805 3) and with the área (at low temperatures and d > 3). For three dimensions, the model exhibits no phase transition, being exactly soluble. We also study a U (I) version o four model and show its equivalence with a free classical field theory in the low temperature region

Topological order is a new paradigm for quantum phases of matter developed to explain phase transitions which do not fit the symmetry breaking scheme for classifying phases of matter. They are characterized by patterns of entanglement that lead to topologically depended ground state degeneracy and anyonic excitations. One common approach for studying such phases in two-dimensional systems is through exactly solvable lattice Hamiltonian models such as quantum double models and String-Net models. The former can be understood as the Hamiltonian formulation of lattice gauge theories and, as such, it is defined by a finite gauge group. However, not much is known about topological phases in tridimensional systems. Motivated by this we develop a new class of three-dimensional exactly solvable models which go beyond quantum double models by using finite crossed modules instead of gauge groups. This approach relies on a lattice implementation of 2-gauge theory to obtain models with a richer topological structure. We construct the Hamiltonian model explicitly and provide a rigorous proof that the ground state degeneracy is a topological invariant and that the ground states can only be characterized with nonlocal order parameters. / Ordem topológica é um novo paradigma para fases quânticas da matéria desenvolvido para explicar transições de fase que não se encaixam no esquema de classificação de fases da matéria por quebra de simetria. Estas fases são caracterizadas por padrões de emaranhamento que levam a uma degenerescência de estado fundamental topológica e a excitações anyonicas. Uma abordagem comum para o estudo de tais fases em sistemas bidimensionais é através de modelos Hamiltonianos exatamente solúveis de rede como os modelos duplos quânticos e modelos de String-Nets. O primeiro pode ser entendido como a formulação Hamiltoniana de teorias de gauge na rede e, desta maneira, é definido por um group de gauge finito. Entretanto, pouco é conhecido a respeito de fases topológicas em sistemas tridimensionais. Motivado por isso nós desenvolvemos uma nova classe de modelos tridimensionais exatamente solúveis que vai alem de modelos duplos quânticos pelo uso de módulos cruzados finitos no lugar de grupos de gauge. Esta abordagem se baseia numa implementação em redes de teoria de 2-gauge para obter modelos com uma estrutura topológica mais rica. Nós construímos o modelos Hamiltoniano explicitamente e fornecemos uma demonstração rigorosa de que a degenerescência de estado fundamental é um invariante topológico e que os estados fundamentais só podem ser caracterizados por parâmetros de ordem não locais.

Nesta dissertação estudamos as teorias de gauge acoplada com campos de matéria em variedades bidimensionais. Para isso, descrevemos primeiro um formalismo em duas e três dimensões o qual é baseado na ideia de Kuperberg de definir um invariante topológico em três dimensões usando álgebras de Hopf e diagramas de Heegaard. O uso do formalismo é útil para este trabalho pois é fácil a identificação de limites topológicos sem resolver o modelo. Também escrevemos o modelo de gauge com campos de matéria usando uma fixação de gauge chamada de gauge unitário. Trabalhamos com o grupo abeliano $\\mathbb_$ e explicamos com detalhe o caso $\\mathbb_$. Calculamos as funções de partição e loops de Wilson para este grupo nos diferentes limites topológicos. Mostramos que existem casos nos quais os resultados dependem da triangulação mas de maneira trivial, estes casos foram chamados de quase-topológicos. / In this thesis we study gauge theories coupled with matter fields in two-dimensional manifolds. In order to proceed we first describe a formalism in two and three dimensions which is based on the idea of Kuperberg of defining a topological invariant in three dimensions using Hopf algebras and Heegaard diagrams. The use of this formalism is useful here because it is easy to identify topological limits without solving the model. Furthermore, we write the gauge model with matter fields choosing the unitary gauge. We work with abelians groups Z(n) and explain the Z(2) case in detail. We calculate partition functions and Wilson loops for this group in the different topological limits. We show that, there were cases in which the results depended on the triangulation but in a trivial way, these cases are called quasi-topological.

Nesta dissertação estudamos as teorias de gauge acoplada com campos de matéria em variedades bidimensionais. Para isso, descrevemos primeiro um formalismo em duas e três dimensões o qual é baseado na ideia de Kuperberg de definir um invariante topológico em três dimensões usando álgebras de Hopf e diagramas de Heegaard. O uso do formalismo é útil para este trabalho pois é fácil a identificação de limites topológicos sem resolver o modelo. Também escrevemos o modelo de gauge com campos de matéria usando uma fixação de gauge chamada de gauge unitário. Trabalhamos com o grupo abeliano $\\mathbb_$ e explicamos com detalhe o caso $\\mathbb_$. Calculamos as funções de partição e loops de Wilson para este grupo nos diferentes limites topológicos. Mostramos que existem casos nos quais os resultados dependem da triangulação mas de maneira trivial, estes casos foram chamados de quase-topológicos. / In this thesis we study gauge theories coupled with matter fields in two-dimensional manifolds. In order to proceed we first describe a formalism in two and three dimensions which is based on the idea of Kuperberg of defining a topological invariant in three dimensions using Hopf algebras and Heegaard diagrams. The use of this formalism is useful here because it is easy to identify topological limits without solving the model. Furthermore, we write the gauge model with matter fields choosing the unitary gauge. We work with abelians groups Z(n) and explain the Z(2) case in detail. We calculate partition functions and Wilson loops for this group in the different topological limits. We show that, there were cases in which the results depended on the triangulation but in a trivial way, these cases are called quasi-topological.