L’Objectif de cette thèse est de développeré une théorie de l’identification spécifique pour les systèmes Hamiltonien à ports. Les raisons principales pour motiver cette théorie résident dans les propriétés remarquables de ces systèmes, notamment leur structure de Dirac et sa stabilité par interconnexion conservative de puissance (e.g. parallèle, séries ou feedback). Dans la première partie, les systèmes Hamiltoniens sont analysés en ce qui concerne leur identifiabilité structurelle, par par analyse de leur observabilité/commandabilité, par tests directs, par l’analyse en série de puissance de leur fonction de transfert ou par une nouvelle approche énergétique d’analyse d’une identifiabilité spécifique associée à un port. Dans la partie suivante, des modèles de perturbation par port d’interaction sont introduits et permettent l’analyse de l’identifiabilité « pratique » des systèmes hamiltoniens à ports. Le quatrième chapitre présente des schémas de discrétisation en temps qui préserve les bilans de puissance et d’énergie et leur application sur des exemples de système hamiltoniens à ports linéaires et non linéaires. L’erreur de discrétisation est analysée en introduisant la notion de représentation hamiltonienne de l’erreur de discrétisation. Dans la dernière partie de cette thèse, une approche d’identification dans l’espace d’état est développée pour les systèmes obtenus par discrétisation symplectique des systèmes hamiltoniens à ports. Les cas déterministe est analysé et une approche énergétique basée sur les résultats d’identifiabilité structurelle développé dans la première partie est proposée. Enfin, dans la dernière partie, les contributions du travail sont rappelées et quelques perspectives pour des travaux futurs sont présentées. / The objective of this thesis is to develop a specific identification theory for Port Controlled Hamiltonian (PCH) systems. The main reasons to develop this theory comes from their remarkable properties like power conservation and stability under power preserving interconnection (e.g. parallel, series or feedback interconnections). In a first part PCH systems are analysed for structural identifiability using some classical or new techniques: observability/controllability identifiability, direct test, power series expansion or a new power energy approach, defining also a new concept of port identifiability. Further it is proposed a perturbation model by means of the interaction port together with a practical identifiability analysis realized using the controllability and observability concepts. The fourth part presents a new framework for time-discretization of PCH systems in the nonlinear or linear case, by combined discretization of the flows and efforts preserving in the same time their characteristic properties. Also in this part it is proposed a discretization error Hamiltonian to distinguish the continuous-time PCH system from the discrete-time one. The fifth part of the thesis makes an analysis of PCH systems identifiability using the subspace identification approach in the deterministic case, proposing also a new power energy approach in direct connection with the structural identifiability results. In the end are presented the main conclusions, personal contributions and perspectives for future work.

Une formulation de jauge non-abélienne pour les hamiltoniens Rashba et Dresselhaus, relevants dans l’électronique de spin des matériaux non centrosymétriques est développée. Les champs de jauge définis sont proportionnels aux générateurs SU(2) et aux gradients des potentiels extrinsèque et intrinsèque d’origine, ce qui se traduit par une structure U(1) × SU(2). Nous avons déduit du lagrangien correspondant les équations du mouvement et les courants de spin conservés. On montre que la présence obligatoire d’un terme de masse de type Proca fixe la jauge et résout en conséquence la dépendance de la jauge dans le courant de spin et donc les ambiguïtés du courant de spin rapportées dans la littérature. Nous avons analysé certaines conséquences topologiques, mettant l’accent sur les modéles d’interféromètres et l’apparition de conditions de quantification semblables à celles de l’effet Hall quantique entier. Un dispositif de filtrage de spin par interférences est proposé dans un gaz d’électrons quasi-bidimensionnels GaAs/AlGaAs qui possède à la fois les couplages Rashba et Dresselhaus et un champ magnétique externe appliqué. Nous proposons un interféromètre de Mach Zehnder, accessible en électronique expérimentale et nous déterminons les conditions de filtrage de spin parfait. Nous trouvons deux régimes de filtrage de spin, celui où le filtrage est réalisé dans la base de quantification du faisceau entrant, qui tire parti de la nature purement non-abélien de rotations de spin, et l’autre, où l’on a besoin d’un axe préférentiel incliné pour observer le spineur de sortie polarisé. Nous étudions les états électroniques d’un anneau mésoscopique en présence de couplage spin-orbite Rashba et d’un champ de jauge U(1). Un couplage à un conducteur idéal est mis en oeuvre à la suite de la sonde de tension de Büttiker. Les courants permanents de charge et de spin sont calculés en présence de l’interaction SO et le couplage du réservoir pour deux scénarios distincts de la fraction d’électrons de remplissage. La dégradation des courants permanents dépend de manière uniforme du couplage du réservoir. Le problème des courants permanents de charge et de spin est également considéré sur un disque de Corbino construit à partir d’une feuille de graphène. L’hamiltonien en coordonnées cylindriques est soigneusement examinée afin de refléter hermiticité et la covariance. Nous utilisons la définition de la réponse linéaire afin de déterminer les courants persistants. Nous déterminons aussi les polarisations de spin et de pseudospin associées à ces courants d’équilibre. Les courants maximaux sont protégés contre les effets thermiques, ce qui les rend observables à des températures facilement accessibles / A non-Abelian gauge formulation for the Rashba and Dresselhaus hamiltonians, relevant in spintronics of non-centrosymmetric materials, is studied. The gauge fields defined are proportional to the SU(2) generators and also to potential gradients of extrinsic and intrinsic origin which results in a U(1) × SU(2) formulation. We derived from the corresponding lagrangian the equations of motion and conserved spin currents. It is shown that the mandatory presence of a Proca mass type term fixes the gauge and solves in consequence the gauge dependence of the spin current and therefore the ambiguities of the spin current reported in the literature. The invariant gauge subgroup of this theory will be studied. We will analyze some topological consequences of the gauge formulation of Rashba and Dresselhaus focusing on interferometers models and quantization conditions similar to the integer quantum Hall effect. A Spin filtering device, through quantum spin interference, is addressed in a quasi-2 dimensional GaAs/AlGaAs electron gas that has both Rashba and Dresselhaus spin-orbit couplings and an applied external magnetic field. We propose an experimentally feasible electronic Mach Zehnder Interferometer that determines perfect spin filtering conditions. We find two spin filtering regimes, one where filtering is achieved in the original incoming quantization basis, that takes advantage of the purely non-Abelian nature of spin rotations, and the other, where one needs a tilted preferential axis to observe the polarized output spinor. We also address the electronic states of a mesoscopic ring in the presence of Rashba Spin Orbit coupling and a U(1) gauge field. Spin symmetric coupling to an ideal lead is implemented following Büttiker’s voltage probe. The spin and charge persistent currents are computed in the presence of the SO interaction and the reservoir coupling for two distinct scenarios of the electron filling fraction. The degradation of the persistent currents depends uniformly on the reservoir coupling but due to the fact that currents emerge from different depths of the fermi sea, they depend non uniformly in temperature, “shielding” the currents with a protective gap. Finally the problem of persistent charge and spin currents is addressed on a Corbino disk built from a graphene sheet. We consistently derive the Hamiltonian including kinetic, intrinsic (ISO) and Rashba spin-orbit interactions in cylindrical coordinates. The Hamiltonian is carefully considered to reflect hermiticity and covariance. We use the linear response definition in order to determine the charge persistent currents. We also determine the spin and pseudo spin polarizations associated with such equilibrium currents. For the intrinsic case one can also compute the correct currents by properly defining the bare velocity operator associated with ISO problem or alternatively the ISO group velocity operator associated with the free case. Charge currents for both SO couplings reach maximal values in the vicinity of half integer flux quanta. Such maximal currents are protected from thermal effects because contributing levels plunge (~1K) into the Fermi sea at half integer flux values. Such a mechanism, makes them observable at readily accessible temperatures. Spin currents only arise for the Rashba coupling, due to the spin symmetry of the ISO spectrum. For the Rashba coupling, spin currents are canceled at half integer fluxes but they remain finite in the vicinity, and the same scenario above protects spin currents / Se estudia una formulación de calibre no abeliana de los hamiltonianos Rashba y Dresselhaus, relevantes en espintrónica de materiales no centrosim étricos. Los campos de calibre definidos son proporcionales a los generadores SU(2) y también a los gradientes de potencial de origen extrínseco e intrínseco que se traducen en una formulación U(1) × SU(2). Derivamos del Lagrangiano correspondiente las ecuaciones del movimiento y las corrientes de espín conservadas. Se demuestra que la presencia obligatoria de un término de masa tipo Proca fija el calibre y resuelve en consecuencia la dependencia de calibre en la corriente de esp´n y, por lo tanto, las ambig¨uedades asociadas a la definición de la corriente de espín reportadas en la literatura. Se estudia el subgrupo invariante de esta teoría. Analizamos algunas de las consecuencias topológicas de la formulación de calibre de Rashba y Dresselhaus centrándonos en modelos de interferómetros y condiciones de cuantización similares al efecto Hall cuántico entero. Se propone un dispositivo de filtrado de espín basado en interferencia cuántica de espín, en un gas de electrones cuasi-bidimiensional GaAs/AlGaAs que posee acoplamientos spin-órbita tanto Rashba como Dresselhaus y un campo magnético externo aplicado. Proponemos un interferómetro electrónico tipo Mach-Zehnder experimentalmente factible que determina perfectamente las condiciones de filtrado de espín. Nos encontramos con dos regímenes, un primer régimen donde se logra el filtrar en la base original de cuantización, que toma ventaja de la naturaleza puramente no abeliana de las rotaciones de esín, y el otro, donde se necesita un eje preferencial inclinado (tilted) para observar el espinor polarizado de salida. Estudiamos los estados electrónicos de un anillo mesoscópico en presencia de acoplamiento espín orbita tipo Rashba y un campo de calibre U(1). El acoplamiento simétrico en espín a un cable ideal se implementa siguiendo el procedimiento de punta de prueba de B¨uttiker. La corrientes persistentes de carga y de espín se calculan en presencia de la interacción SO acopladas con un reservorio, tomando en cuenta dos escenarios distintos para de la fracción de electrones de llenado. La degradación de las corrientes persistentes depende de manera uniforme del acoplamiento con el reservorio debido al hecho de que las corrientes emergen de diferentes profundidades del mar de Fermi, y por lo tanto para algunos regímenes particulares de flujo magnético dependen de manera no uniforme de la temperatura, produciendo un “ blindaje” de las corrientes frente a la temperatura mediante una brecha de energía protectora. Se aborda el problema de las corrientes persistentes de carga y espín en un disco Corbino, construido a partir de una hoja de grafeno. Consistentemente derivamos el Hamiltoniano incluyendo su parte cinética, interacciones espín - órbita intrínseca (ISO) y Rashba en coordenadas cilíndricas. El Hamiltoniano es construido cuidadosamente para reflejar la hermeticidad y covariancia. Utilizamos teoría de respuesta lineal con el fin de determinar las corrientes persistentes de carga. También determinamos las polarizaciones de espín y de pseudoespín asociados con estas corrientes de equilibrio. Para el caso intrínseco también se pueden calcular las corrientes definiendo correctamente el operador velocidad (bare) y calculando con las funciones de onda ISO o alternativamente, el operador de velocidad de grupo ISO para las funciones de onda libres. Las corrientes de carga para ambos acoplamientos SO alcanzan valores máximos en las proximidades de semi-enteros de cuantos de flujo. Tales corrientes máximas están protegidos de los efectos térmicos ya que los niveles que contribuyen se hunden (~ 1K) en el mar de Fermi para valores semi-enteros de flujo. Este mecanismo los hace observable a temperaturas de fácil acceso. Las corrientes de espín sólo surgen en presencia de acoplamiento Rashba, debido a la simetría de espín del espectro ISO. [...]

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

Dans cette thèse, nous utilisons le degré et la topologie $\tau$ introduits en 1996 par Kryszewski et Szulkin pour généraliser, au cas des fonctionnelles fortement indéfinies, les théorèmes de la fontaine de T. Bartsch (1993), de T. Bartsch et M. Willem (1995) et de W. Zou (2001). Aucune méthode de réduction n'est utilisée. Nous appliquons les nouveaux théorèmes pour prouver l'existence d'une infinité de solutions pour quelques systèmes différentiels.

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

Étude de divers problèmes lies aux graphes de Hamming

Dans cette thèse nous étudions différents problèmes de graphes et multigraphes arêtes-coloriés tels que la connexité propre, la coloration forte d'arêtes et les chaînes et cycles hamiltoniens propres. Enfin, nous améliorons l'algorithme connu $O(n^4)$ pour décider du comportement d'un graphe sous opérateur biclique, en étudiant les bicliques dans les graphes sans faux jumeaux. Plus précisément, 1) Nous étudions d'abord le nombre $k$-connexité-propre des graphes, noté $pc_k(G)$, ç'est à dire le nombre minimum de couleurs nécessaires pour colorer les arêtes d'un graphe de façon à ce qu'entre chaque paire de sommets, ils existent $k$ chemins intérieurement sommet-disjoints. Nous prouvons plusieurs bornes supérieures pour $pc_k(G)$. Nous énonçons quelques conjectures pour les graphes généraux et bipartis et nous les prouvons dans le cas où $k = 1$. 2) Nous étudions l'existence de chaînes et de cycles hamiltoniens propres dans les multigraphes arêtes-coloriés. Nous établissons des conditions suffisantes, en fonction de plusieurs paramètres tels que le nombre d'arêtes, le degré arc-en-ciel, la connexité, etc. 3) Nous montrons que l'indice chromatique fort est linéaire au degré maximum pour tout graphe $k$-dégénéré où, $k$ est fixe. En corollaire, notre résultat conduit à une amélioration des constantes et donne également un algorithme plus simple et plus efficace pour cette famille de graphes. De plus, nous considérons les graphes planaires extérieurs. Nous donnons une formule pour trouver l'indice chromatique fort exact pour les graphes bipartis planaires extérieurs. Nous améliorons également la borne supérieure pour les graphes planaires extérieurs généraux. 4) Enfin, nous étudions les bicliques dans les graphes sans faux jumeaux et nous présentons ensuite un algorithme $O(n+m)$ pour reconnaître les graphes convergents et divergents en améliorant l'algorithme $O(n^4)$.

Ce mémoire est consacré à la dynamique aux temps longs des sytèmes d'ondes Hamiltoniens. <br />Dans une première partie nous identifierons l'état d'équilibre comme le minimum de l'énergie libre. La dynamique évolue, alors, en règle générale de telle manière que l'énergie libre soit minimum en respectant les quantités conservées. Ensuite nous décrivons la théorie de la turbulence faible comme approche cinétique à l'équilibre statistique d'un système d'ondes. Nous expliquons comment cette description cinétique conduit le système à l'équilibre. Dans le cadre d'un système quantique de particules indiscernables nous présentons une dérivation nouvelle de l'équation de Boltzmann quantique pour des interactions de coeurs durs. Nous montrons que sous certaines conditions la dynamique future de l'équation de Boltzmann quantique pour des bosons développe une singularité en temps fini comme précurseur de la formation d'un condensat de Bose-Einstein. Nous examinons l'analogue classique de la condensation de Bose-Einstein : la condensation d'ondes à l'aide de l'équation de Schrödinger non linéaire. En effet la théorie de la turbulence faible montre que la dynamique aux temps longs est gouvernée par une équation cinétique à quatre ondes qui suit une singularité en temps fini comme précurseur de la formation d'un condensat d'ondes. Finalement nous obtenons l'équation cinétique à quatre ondes pour la dynamique d'une plaque élastique vibrante.

L'équation de la chaleur est un phénomène macroscopique, émergeant après une limite d'échelle diffusive (en espace et en temps) d'un système d'oscillateurs couplés. Lorsque les interactions entre oscillateurs sont linéaires, l'énergie évolue de manière balistique, et la conductivité thermique est infinie. Certaines non-linéarités doivent donc apparaître au niveau microscopique, si l'on espère observer une diffusion normale. Pour apporter de l'ergodicité, on ajoute à la dynamique déterministe une perturbation stochastique qui conserve l'énergie. En premier lieu nous étudions la dynamique Hamiltonienne d'un système d'oscillateurs linéaires, perturbé par un bruit stochastique dégénéré conservatif. Ce dernier transforme à des temps aléatoires les vitesses en leurs opposées. On montre que l'évolution macroscopique du système est caractérisée par un système parabolique non-linéaire couplé pour les deux lois de conservation du modèle. Ensuite, nous supposons que les oscillateurs évoluent en environnement aléatoire. La perturbation stochastique est très dégénérée, et on prouve que le champ de fluctuations de l'énergie à l'équilibre converge vers un processus d'Ornstein-Uhlenbeck généralisé dirigé par l'équation de la chaleur.Il est désormais connu que les systèmes unidimensionnels présentent une diffusion anormale lorsque le moment total est conservé en plus de l'énergie. Dans une troisième partie, on considère deux perturbations, l'une préservant le moment, l'autre détruisant cette conservation. En faisant décroître l'intensité de la seconde perturbation, on observe une transition de phase entre un régime de diffusion normale et un régime de superdiffusion.

Ce travail porte sur l'évaluation des éléments de couplage entre sites magnétiques dans des complexes de transition. Nous discutons tout d'abord de la validité d'un hamiltonien de Heisenberg pour représenter des systèmes à deux électrons célibataires par centre et montrons les avantages d'un nouvel hamiltonien adapté à ce type de système. Sont ensuite présentés les résultats de calculs ab initio aidant à la compréhension du comportement de deux complexes de transition intéressants. Le premier est un complexe moléculaire organique formé autour d'un ion Ni(II) (d8, deux électrons célibataires dans deux orbitales magnétiques) qui a dans sa sphère de coordination deux radicaux nitroxydes (un électron célibataire chacun). Ce complexe a été obtenu sous deux formes cristallines très différentes. Dans la phase alpha, les deux nitroxydes sont équivalents et en position trans par rapport au centre de symétrie occupé par l'ion Ni(II). Dans la phase beta, les nitroxydes ne sont plus équivalents et l'angle "nitroxyde-Ni-nitroxyde" est proche de 90 degrés. Alors que la phase alpha présente des couplages antiferromagnétiques entre le nickel et les deux radicaux, la phase beta présente un couplage antiferromagnétique entre le nickel et l'un des deux nitroxydes tandis que le couplage avec l'autre nitroxyde est ferromagnétique. L'autre système étudié, NaV2O5, est un système cristallin à valence mixte. Il est l'un des deux seuls composés inorganiques pour lesquels une transition de Spin-Peierls a été observée. Cette transition est bien connue théoriquement et a été observée sur des composés organiques où le magnétisme est unidimensionnel. Par contre, elle est beaucoup moins bien connue dans des cas plus complexes de composés inorganiques tels CuGeO3 et NaV2O5. Nous étudions les structures haute température (au-dessus de la transition) et basse température de ce composé. La comparaison entre les résultats permet de mieux comprendre la nature de la transition.