Cette thèse est consacrée à la description de la physique à une particule ainsi qu'à celle de fluides quantiques bosoniques dans des systèmes topologiques. Les deux premiers chapitres sont introductifs. Dans le premier, nous introduisons des éléments de théorie des bandes et les quantités géométriques et topologiques associées : tenseur métrique quantique, courbure de Berry, nombre de Chern. Nous discutons différents modèles et réalisations expérimentales donnant lieu à des effets topologiques. Dans le second chapitre, nous introduisons les condensats de Bose-Einstein ainsi que les excitons-polaritons de cavité.La première partie des résultats originaux discute des phénomènes topologiques à une particule dans des réseaux en nid d'abeilles. Cela permet de comparer deux modèles théoriques qui mènent à l'effet Hall quantique anormal pour les électrons et les photons dû à la présence d'un couplage spin-orbite et d'un champ Zeeman. Nous étudions aussi l'effet Hall quantique de vallée photonique à l'interface entre deux réseaux de cavités avec potentiels alternés opposés.Dans une seconde partie, nous discutons de nouveaux effets qui émergent due à la présence d'un fluide quantique interagissant décrit par l’équation de Gross-Pitaevskii dans ces systèmes. Premièrement, il est montré que les interactions spin anisotropes donnent lieu à des transitions topologiques gouvernées par la densité de particules pour les excitations élémentaires d’un condensat spineur d’exciton-polaritons.Ensuite, nous montrons que les tourbillons quantifiés d'un condensat scalaire dans un système avec effet Hall quantique de vallée, manifestent une propagation chirale le long de l'interface contrairement aux paquets d'ondes linéaires. La direction de propagation de ces derniers est donnée par leur sens de rotation donnant lieu à un transport de pseudospin de vallée protégé topologiquement, analogue à l’effet Hall quantique de spin.Enfin, revenant aux effets géométriques linéaires, nous nous sommes concentrés sur l’effet Hall anormal. Dans ce contexte, nous présentons une correction non-adiabatique aux équations semi-classiques décrivant le mouvement d’un paquet d’ondes qui s’exprime en termes du tenseur géométrique quantique. Nous proposons un protocole expérimental pour mesurer cette quantité dans des systèmes photonique radiatifs. / This thesis is dedicated to the description of both single-particle and bosonic quantum fluid Physics in topological systems. After introductory chapters on these subjects, I first discuss single-particle topological phenomena in honeycomb lattices. This allows to compare two theoretical models leading to quantum anomalous Hall effect for electrons and photons and to discuss the photonic quantum valley Hall effect at the interface between opposite staggered cavity lattices.In a second part, I present some phenomena which emerge due to the interplay of the linear topological effects with the presence of interacting bosonic quantum fluid described by mean-field Gross-Pitaevskii equation. First, I show that the spin-anisotropic interactions lead to density-driven topological transitions for elementary excitations of a condensate loaded in the polariton quantum anomalous Hall model (thermal equilibrium and out-of-equilibrium quasi-resonant excitation configurations). Then, I show that the vortex excitations of a scalar condensate in a quantum valley Hall system, contrary to linear wavepackets, can exhibit a robust chiral propagation along the interface, with direction given by their winding in real space, leading to an analog of quantum spin Hall effect for these non-linear excitations. Finally, coming back to linear geometrical effects, I will focus on the anomalous Hall effect exhibited by an accelerated wavepacket in a two-band system. In this context, I present a non-adiabatic correction to the known semiclassical equations of motion which can be expressed in terms of the quantum geometric tensor elements. We also propose a protocol to directly measure the tensor components in radiative photonic systems.

Les noyaux riches en neutrons de masse A=100-110 constituent une région de grand intérêt pour l'étude de la structure nucléaire loin de la stabilité. De précédentes études de cette région de masse ont déjà révélé la complexité de l'évolution de la collectivité et de la déformation dans les chaînes isotopiques de Zr, Mo, Ru et Pd. Afin d'étendre les données expérimentales sur la collectivité à des états de plus haut spin et à des noyaux plus riches en neutrons, des temps de vie d'états excités ont été mesurés dans des noyaux produits par une réaction de fusion-fission en cinématique inverse au GANIL. Les fragments de fission étaient séparés et identifiés en A et Z grâce au spectromètre magnétique de grande acceptance VAMOS tandis que le rayonnement gamma était détecté dans l'ensemble de détecteurs germanium EXOGAM. Environ vingt temps de vie d'états 2+, 4+ et 6+ ont été extraits à l'aide du plunger de Cologne. Cette expérience représente la première mesure RDDS dans des fragments de fission identifiés évènement par évènement à la fois en A et Z.Cette étude des noyaux de masse A=100-110 est complétée par des calculs auto-cohérents de champ moyen et au-delà avec la force de Gogny (D1S). La structure des états fondamentaux et excités est décrite dans le cadre du modèle de Hartree-Fock-Bogoliubov avec des contraintes sur les déformations axiale et triaxiale. Les excitations individuelles sont étudiées par des calculs bloqués et les états de haut spin sont décrits dans l'approximation du champ tournant. Enfin, la méthode de la coordonnée génératrice approchée par un hamiltonien collectif en cinq dimensions (5DCH) est appliquée aux états collectifs de basse énergie. Les résultats sont comparés aux mesures de la collectivité. / Neutron-rich nuclei of mass A=100-110 are of great interest for the study of nuclear structure far from stability. Previous experimental and theoretical studies suggest a complex evolution of deformation and collectivity in the isotopic chains of Zr, Mo, Ru and Pd.In order to extend information on the evolution of the collectivity towards higher spin states and more neutron-rich nuclei, lifetimes of excited states were measured in nuclei produced through a fusion-fission reaction in inverse kinematic at GANIL. Fission fragments were separated and identified in both A and Z with the high acceptance magnetic spectrometer VAMOS while the EXOGAM germanium detectors array was used for the coincident gamma-ray detection. Lifetimes of about twenty excited states were extracted using the plunger device of Cologne. This is the first RDDS measurement on fission fragments which are identified in A and Z on an event-by-event basis. The study of this mass region is completed by theoretical calculations using self consistent mean field and beyond mean field methods implemented with the Gogny force (D1S). The structure of the ground states and the excited states is described with Hartree-Fock-Bogoliubov calculations with constraints placed on the axial and triaxial deformations. Individual excitations are investigated through blocking calculations and the high spin states are studied through cranking calculations. Finally, an approximated generator coordinate method (GCM+GOA) using the 5DCH hamiltonian is used to describe the low energy collective states and to interpret the experimental evolution of the collectivity.

La fission induite par neutron, découverte il y a plus de 70 ans, a de nombreuses applications, par exemple industrielles pour la production d'énergie, et intervient dans la nucléosynthèse. Cependant, sa description microscopique reste un problème ouvert. En effet, les degrés de liberté qui interviennent dans ce processus dynamique sont complexes. De plus, les noyaux fissiles ont un nombre élevé de nucléons en interaction (>200). Il s'agit donc d'un problème à N-corps quantique. Or, une résolution directe de ce dernier n'est pas possible à l'heure actuelle. Dans ce contexte, la description microscopique de la fission considérée ici est la suivante : la première étape consiste à déterminer un ensemble de configurations de champ moyen qui représentent différentes déformations du noyau, incluant ainsi explicitement les degrés de liberté collectifs qui leur sont associés. Dans la seconde étape, la dynamique est décrite dans cet espace de configurations en utilisant la méthode de la coordonnée génératrice dépendante du temps (TDGCM). L'approximation des recouvrements gaussiens (GOA) est alors utilisée. Cependant, elle introduit une erreur de modèle et limite les extensions comme par exemple la prise en compte explicite de degrés de liberté intrinsèques. Ce travail de thèse a pour objectif de décrire le processus de fission avec la TDGCM sans recourir à la GOA. Cela implique de résoudre l'équation de la dynamique en TDGCM appelée équation de Hill-Wheeler dépendante du temps (TD-HW). Les méthodes d'évaluations des matrices des recouvrements et du hamiltonien collectif sont présentées dans le cas d'une interaction de Gogny. La matrice des recouvrements représente la métrique de l'espace des configurations, et la matrice du hamiltonien collectif contient les couplages énergétiques entre les configurations. Les configurations sont exprimées dans des bases de particules deux à deux distinctes, introduisant des instabilités numériques dans les méthodes d'évaluation standard. Un formalisme adapté à ces bases est proposé permettant d'éliminer ces instabilités. Deux méthodes de résolution de TD-HW sont présentées. La première consiste à calculer l'opérateur d'évolution associé à l'équation de Hill-Wheeler dépendante du temps. Elle est adaptée à un faible nombre de configurations. La seconde utilise un schéma de discrétisation en temps permettant l'inclusion d'un plus grand nombre de configurations dans le modèle. Ce formalisme est ensuite appliqué à la description de la réaction de fission induite par neutron sur le plutonium 239, et une comparaison avec la TDGCM+GOA est effectuée. / Nuclear fission, where an atomic nucleus separates into two fragments while emitting a large amount of energy, is at the core of many applications in society (energy production) and national security (deterrence, non-proliferation). It is also a key ingredient of the mechanisms of formation of elements in the universe. Yet, nearly 80 years after its experimental discovery its theoretical description in terms of the basic constituents of the nucleus (protons and neutrons) and their interaction remains a challenge. In this thesis, we describe the fission process as follows. In a first step, we use large supercomputers to compute the deformation properties of the nucleus based on our knowledge of nuclear forces. In a second step, we simulate the time evolution of the system from its ground state up to the fragments separation with a fully quantum-mechanical approach called the time-dependent generator coordinate method (TDGCM). While results are in good qualitative agreement with experimental data, the implementation of the TDGCM so far had been greatly simplified using what is known as the Gaussian overlap approximation (GOA). We also developed the formalism and a numerical implementation of the exact TDGCM - without the GOA. This will allow the first systematic validation of that approximation and an assessment of the resulting theoretical uncertainties. The second chapter presents the description of the neutron induced fission process using the TDGCM+GOA. The third one introduces the developments carried out in this thesis allowing the description of the fission process with the TDGCM without the GOA. The last chapter shows the first results obtained with this approach.

Le phénomène de condensation d’un gaz de bosons lorsqu’il est refroidi à zéro degrés Kelvin futdécrit par Einstein en 1925 en s’appuyant sur des travaux de Bose. Depuis lors, de nombreux physiciens,mathématiciens et numériciens se sont intéressés au condensat de Bose-Einstein et à son caractère superfluide. Nous proposons dans cette étude des méthodes numériques ainsi qu’un code informatique pour la simulation d’un condensat de Bose-Einstein en rotation. Le principal modèle mathématique décrivant ce phénomène physique est une équation de Schrödinger présentant une non-linéarité cubique,découverte en 1961 : l’équation de Gross-Pitaevskii (GP). En nous appuyant sur le logiciel FreeFem++,nous nous servons d’une discrétisation spatiale en éléments-finis pour résoudre numériquement cette équation. Une méthode d’adaptation du maillage à la solution et l’utilisation d’éléments-finis d’ordre deux nous permet de résoudre finement le problème et d’explorer des configurations complexes en deux ou trois dimensions d’espace. Pour sa version stationnaire, nous avons développé une méthode de gradient de Sobolev ou une méthode de point intérieur implémentée dans la librairie Ipopt. Pour sa version instationnaire, nous utilisons une méthode de Time-Splitting combinée à un schéma de Crank-Nicolson ou une méthode de relaxation. Afin d’étudier la stabilité dynamique et thermodynamique d’un état stationnaire, le modèle de Bogoliubov-de Gennes propose une linéarisation de l’équation de Gross-Pitaevskii autour de cet état. Nous avons élaboré une méthode permettant de résoudre ce système aux valeurs et vecteurs propres, basée sur un algorithme de Newton ainsi que sur la méthode d’Arnoldi implémentée dans la librairie Arpack. / The phenomenon of condensation of a boson gas when cooled to zero degrees Kelvin was described by Einstein in 1925 based on work by Bose. Since then, many physicists, mathematicians and digitizers have been interested in the Bose-Einstein condensate and its superfluidity. We propose in this study numerical methods as well as a computer code for the simulation of a rotating Bose-Einstein condensate.The main mathematical model describing this phenomenon is a Schrödinger equation with a cubic nonlinearity, discovered in 1961: the Gross-Pitaevskii (GP) equation. By using the software FreeFem++ and a finite elements spatial discretization we solve this equation numerically. The mesh adaptation to the solution and the use of finite elements of order two allow us to solve the problem finely and to explore complex configurations in two or three dimensions of space. For its stationary version, we have developed a Sobolev gradient method or an internal point method implemented in the Ipopt library. .For its unsteady version, we use a Time-Splitting method combined with a Crank-Nicolson scheme ora relaxation method. In order to study the dynamic and thermodynamic stability of a stationary state,the Bogoliubov-de Gennes model proposes a linearization of the Gross-Pitaevskii equation around this state. We have developed a method to solve this eigenvalues and eigenvector system, based on a Newton algorithm as well as the Arnoldi method implemented in the Arpack library.

The rapid neutron-capture process, known as the r-process, is responsible for the origin of about half the stable nuclei heavier than iron observed in nature. Though the r-process is believed to take place in explosive stellar environments and to involve a large number (few thousands) of exotic nuclei, this nucleosynthesis process remains poorly understood from the astrophysics as well as nuclear physics points of view. On the nuclear physics side, the nuclei are too exotic to be studied in the laboratory, even though great efforts are constantly made to extend the experimental limits away from the eta-$stability region. Therefore, theoretical models are indispensable to estimate the nuclear properties of interest in the r-process nucleosynthesis modelling. So far, models used to predict the properties of the exotic nuclei were based on parametrized macroscopic-type approaches the reliability of which is questionable when extrapolating far away from the experimentally known region. This work is devoted to the improvement of nuclear predictions, such as the nuclear ground- and excited-state properties, needed as input data to model the r-process. In order to give the predictions a reliable character, we rely on the microscopic mean-field Hartree-Fock theory based on the Skyrme-type interaction. Pairing correlations play an important role in the description of nuclei, and become essential for nuclei located near the drip lines, since the scattering of pairs of quasi-particles into the continuum increases significantly. In this work, we brought to the Hartree-Fock model the self-consistent treatment of the pairing correlations within the Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB) theory. Further improvements are made in the restoration of symmetries broken by correlations added in the form of additional degrees of freedom in the wave function. These include the translational invariance restored by calculating the recoil energy, the particle-number symmetry by an exact projection after variation, the rotational symmetry by an approximate cranking correction and the parity symmetry for reflection asymmetric shapes. In addition, the renormalization of the HFB equations has been studied as well and allows to eliminate the dependence of the total energy with respect to the cutoff energy. The effective nucleon-nucleon interaction is determined by adjusting its parameters on all available experimental masses, with some constraints derived from fundamental nuclear matter properties. A systematic study of the influence on mass predictions for each of the above cited improvements as well as of some uncertainties affecting the particle-hole and particle-particle interactions has been conducted. In spite of quite important differences in the input physics, we find a great stability in the mass predictions for exotic neutron-rich nuclei, though local mass differences can be significant. Each of the Skyrme force derived in the present work has been tested on the predictions of basic ground-state properties (including charge radii, quadrupole moments, single-particle levels), fission barriers and electric dipole $gamma-$ray strengths. The HFB predictions globally reproduce experimental data with a level of accuracy comparable with the widely-used droplet-like models. The microscopic character of the approach followed in the present work makes however the predictions for exotic neutron-rich nuclei involved in the r-process more reliable. The influence of such improved nuclear mass predictions on the r-process abundance distribution is studied in the specific scenario of the prompt supernova explosion mechanism.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

<p>    </p> <p>We live in an age in which computation touches upon every aspect of our lives in ever increasing ways. To meet the demand for increased computing power and ability, new computation strategies are continually being proposed. In this dissertation, we consider two research projects related to two such cutting edge paradigms. We first consider developing superconducting devices that implement asynchronous reversible ballistic computation. This paradigm was developed to circumvent Landauer’s principle of a minimum energy required per bitwise computation operation. We report the design of a new device, the rotary, which is a critical step towards developing universal computation gates in the scheme of synchronous reversible ballistic computation. Next, we turn to the consideration of anyons which have been predicted to enable topological quantum computing, a quantum computing paradigm that is relatively immune to environmental noise. We consider initial steps in the development of a Bethe ansatz solvable model that will help decipher the many-body properties of Majorana zero modes in superconducting Kitaev wires. </p>

Ce mémoire est consacré à l'étude mathématique de divers modèles variationnels permettant la description de systèmes quantiques, en particulier infinis. Les outils mathématiques utilisés sont ceux de l'analyse non linéaire, du calcul des variations, des équations aux dérivées partielles, de la théorie spectrale et du calcul scientifique. <br /><br />Une première partie contient quelques résultats pour des systèmes finis. Nous étudions des approximations de l'équation de Schrödinger pour N électrons dans une molécule ou un atome, puis le modèle de Hartree-Fock-Bogoliubov pour un système de fermions interagissant avec une force de type gravitationnelle.<br /><br />Dans une seconde partie nous proposons une nouvelle méthode pour démontrer l'existence de la limite thermodynamique pour des systèmes quantiques interagissant avec la force de Coulomb.<br /><br />Ensuite, nous construisons deux modèles de type Hartree-Fock pour des systèmes infinis. Le premier est un modèle relativiste, déduit de l'électrodynamique quantique, et qui permet de décrire le comportement d'électrons, couplés avec celui du vide de Dirac qui peut se polariser. Le second modèle décrit l'état d'un cristal non relativiste en présence d'un défaut chargé ; il est complété par une nouvelle approche numérique.<br /><br />La dernière partie du mémoire est consacrée au problème de pollution spectrale, un phénomène observé lorsque l'on cherche à calculer des valeurs propres au milieu du spectre essentiel, par exemple pour des opérateurs de Dirac ou de Schrödinger périodique.

Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished