In this thesis we shall examine the role of measurability in the theory of Lebesgue Integration. This shall be done in the context of the real line where we define the notion of an integral of a bouuded real-valued function over a set of bounded outer measure without a prior assumption of measurability concerning the function and the domain of integration

Cette thèse de doctorat traite d’un cadre en géométrie complexe et de méthodes pouvant y être développées pour résoudre des ensembles d’équations différentielles compatibles venant de systèmes intégrables, classiques ou quantiques, dans le contexte de la géométrie d’espaces de modules de connexions au-dessus de courbes complexes, ou surfaces de Riemann. Elle vient de l’idée en physique mathématique que les symétries des systèmes intégrables imposent aux objets d’intérêt (fonctions de partitions ou de corrélations) des contraintes algébro-différentielles nommées équations de boucles. Le but est par la suite de résoudre ces contraintes par récurrence dans des régimes dits topologiques en utilisant une procédure nommée récurrence topologique. Leurs solutions sont en général les fonctions génératrices de quantités issues de problèmes de géométrie énumérative. Étant principalement déterminées par les conditions initiales de la récurrence, on produit au passage une classification algébro-géométrique de la famille de systèmes intégrables considérée. / This PhD thesis is about a framework in complex geometry and methods thereof for solving sets of compatible differential equations arising from integrable systems, classical or quantum, in the context of the geometry of moduli spaces of connections over complex curves, or Riemann surfaces. It is based on the idea in mathematical Physics that integrable systems posess symmetries that impose algebro-differential constraints, so-called loop equations, on the objects of interest (e.g. partition or correlation functions). In turn, we intend to solve these constraints recursively in certain topological regimes using a particular procedure called the topological recursion. Their solutions are in general generating functions of enumerative-geometric quantities. Since they are for the most part determined by the initial data of the recursive process, it realizes in the making an algebro-geometric classification of the family of integrable models under consideration.

Submitted by RICARDO CHICALÉ LEMES (ricardo.chicale@hotmail.com) on 2018-04-30T03:23:42Z No. of bitstreams: 1 Tese-ricardo-c-lemes.pdf: 655598 bytes, checksum: 16e0af2e8792589ebe2a3ec7b9a7162f (MD5) / Approved for entry into archive by Elza Mitiko Sato null (elzasato@ibilce.unesp.br) on 2018-05-02T19:47:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 lemes_rc_do_int.pdf: 655598 bytes, checksum: 16e0af2e8792589ebe2a3ec7b9a7162f (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-02T19:47:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 lemes_rc_do_int.pdf: 655598 bytes, checksum: 16e0af2e8792589ebe2a3ec7b9a7162f (MD5) Previous issue date: 2018-04-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho mostramos que não existe skew-product de contato parcialmente hiperbólico no toro de dimensão 3 cuja dinâmica na base é dada por um difeomorfismo de Anosov e a ação nas fibras é dada por rotações cujos ângulos são funções cobordo do toro de dimensão 2 no círculo. / In this work we prove that there is no contact partially hyperbolic skew-product F : T2 S1 ! T2 S1 of the form F(p; t) = (f(p); t + (p)), where f is an Anosov diffeomorphism and 2 Cr(T2) is a coboundary.

Linear degeneracy of a PDE is a concept that is related to a number of interesting geometric constructions. We first take a quadratic line complex, which is a three parameter family of lines in projective space P3 specified by a single quadratic relation in the Plucker coordinates. This complex supplies us with a conformal structure in P3. With this conformal structure, we associate a three-dimensional second order quasilinear wave equation. We show that any PDE arising in this way is linearly degenerate, furthermore, any linearly degenerate PDE can be obtained by this construction. We classify Segre types of quadratic complexes for which the structure is conformally flat, as well as Segre types for which the corresponding PDE is integrable. These results were published in [1]. We then introduce the notion of characteristic integrals, discuss characteristic integrals in 3D and show that, for certain classes of second-order linearly degenerate dispersionless integrable PDEs, the corresponding characteristic integrals are parameterised by points on the Veronese variety. These results were published in [2].

Notre travail se portera sur l’étude de la trajectoire exacte d’une particule chargée dans un champ magnétique de type tokamak. Nous considérerons des particules tests plongées dans un champ magnétique indépendant du temps. Par définition, elles n’interagissent pas entre-elles et n’ont aucun effet sur le champ magnétique. Le but de notre étude sera alors de mettre en évidence des différences de comportement majeures entre d’une part les trajectoires des particules et d’autre part les lignes de champ magnétique. Nous commencerons dans une première partie par expliciter nos motivations. Les techniques employées aujourd’hui pour simuler la dynamique d’un plasma de fusion reposent sur des modèles magnétohydrodynamiques ou gyrocinétiques dont les hypothèses sont parfois contestables. Nous exposerons ensuite l’approche hamiltonienne choisie pour simuler la trajectoire exacte d’une particule et introduirons les différents outils dont nous aurons besoin. Dans la seconde partie, nous présenterons brièvement l’outil numérique développé qu mettra en évidence des différences de comportements importantes entre ligne de champ et trajectoire de particule. Dans un premier temps, nous exhiberons du chaos de trajectoire en présence de ligne de champ intégrable en ajoutant au champ magnétique idéal une perturbation. Un même résultat sera démontré dans le cas d’un champ magnétique idéal axisymétrique. Ce résultat entrainera des questions importantes autour de l’invariance du moment magnétique μ. Enfin, la dernière partie de ce manuscrit portera sur le comportement des particules tests en présence d’un champ magnétique potentiellement chaotique. / We will work on the study of the exact trajectory of a charged particle within a magnetic field of the tokamak type. We will consider test particles immerged into a timeindependent magnetic field. They don’t interact with each other and have no effect on the magnetic field. The objective of our study will be to prove major behaviour differences between the particles’ trajectories and the magnetic field lines. We will start in part one by making our motivations explicit and especially see that the technics used nowadays to simulate the dynamic of fusion plasma are based on magnetohydrodynamic or gyrokinetic models which hypotheses are sometimes debatable. We will then present the Hamiltonian approach chosen to simulate the exact trajectory of a particle, and will introduce the various tools we will later need, including the characterizationof chaotic phenomena. we will briefly the developed digital tool which will highlight behaviour differences between field line and particle trajectory. Initially, we will exhibit trajectory chaos in the presence of integrable field lines by adding a perturbation to the ideal magnetic field. In a second phase, we will show that a similar result can be proven in the case of an asymmetrical ideal magnetic field. This result will lead to substantial questions regarding the invariance of the μ. The last part of this manuscript will finally focus on the behaviour of the test particles in the presence of a potentially chaotic magnetic field.

Dans cette thèse sont principalement étudiés des systèmes quantiques intégrables critiques avec l’ansatz de Bethe qui ont la propriété particulière d’être non-unitaires ou non-compacts. Ceci concerne des modèles de physique statistique non-locaux tels que la percolation, mais aussi par exemple les systèmes désordonnés. Ce manuscrit présente à la fois des études détaillées de la limite continue de modèles intégrables sur réseau, et développe de nouvelles techniques pour étudier cette correspondance. Dans une première partie nous étudions en détail la limite continue de chaînes de superspins non-unitaires (et parfois non-compactes) qui ont une symétrie orthosymplectique. Nous montrons qu’il s’agit de modèles sigma sur supersphère en calculant leur spectre avec la théorie des champs, avec l’ansatz de Bethe, et numériquement. Leur non-unitarité autorise une brisure spontanée de symétrie habituellement interdite par le théorème de Mermin-Wagner. Leur caractère de perturbation marginale d’une théorie conforme des champs logarithmique est particulièrement étudié. Nous établissons également une correspondance précise entre le spectre et des configurations de boucles avec intersections, et obtenons de nouveaux exposants critiques pour les chemins non-recouvrants compacts ainsi que leurs corrections logarithmiques multiplicatives. Cette étude fut par ailleurs l’occasion de développer une nouvelle méthode pour calculer le spectre d’excitation d’une chaîne de spin quantique critique à partir de l’ansatz de Bethe, incluant les corrections logarithmiques, également en présence de racines de Bethe dites ’en chaînes’, et qui évite les méthodes de Wiener-Hopf et les équations intégrales non-linéaires. Dans une deuxième partie nous abordons l’influence d’un champ magnétique sur une chaîne de spin quantique et montrons que des séries convergentes peuvent être obtenues pour plusieurs quantités physiques telles que l’aimantation acquise ou les exposants critiques, dont les coefficients peuvent être calculés efficacement par récurrence. La structure de ces relations de récurrence permet d’étudier génériquement le spectre d’excitation, et elles sont applicables y compris dans certains cas où les racines de Bethe sont sur une courbe dans le plan complexe. Nous espérons que l’étude de la continuation analytique de ces séries puisse être utile pour les chaînes non-compactes. Par ailleurs, nous montrons que les fluctuations à l’intérieur de la courbe arctique du modèle à six vertex avec conditions aux bords de type mur sont décrites par un champ Gaussien libre avec une constante de couplage dépendant de la position, qui peut être calculée à partir de l’énergie libre de la chaîne XXZ avec une torsion imaginaire dans un champ magnétique. / This thesis mainly deals with integrable quantum critical systems that exhibit peculiar features such as non-unitarity or non-compactness, through the technology of Bethe ansatz. These features arise in non-local statistical physics models such as percolation, but also in disordered systems for example. The manuscript both presents detailed studies of the continuum limit of finite-size lattice integrable models, and develops new techniques to study this correspondence. In a first part we study in great detail the continuum limit of non-unitary (and sometimes non-compact) super spin chains with orthosymplectic symmetry which is shown to be supersphere sigma models, by computing their spectrum from field theory, from the Bethe ansatz, and numerically. The non-unitarity allows for a spontaneous symmetry breaking usually forbidden by the Mermin-Wagner theorem. The fact that they are marginal perturbations of a Logarithmic Conformal Field Theory is particularly investigated. We also establish a precise correspondence between the spectrum and intersecting loops configurations, and derive new critical exponents for fully-packed trails, as well as their multiplicative logarithmic corrections. During this study we developed a new method to compute the excitation spectrum of a critical quantum spin chain from the Bethe ansatz, together with their logarithmic corrections, that is also applicable in presence of so-called ’strings’, and that avoids Wiener-Hopf and Non-Linear Integral Equations. In a second part we address the problem of the behavior of a spin chain in a magnetic field, and show that one can derive convergent series for several physical quantities such as the acquired magnetization or the critical exponents, whose coefficients can be efficiently and explicitely computed recursively using only algebraic manipulations. The structure of the recurrence relations permits to study generically the excitation spectrum content – moreover they are applicable even to some cases where the Bethe roots lie on a curve in the complex plane. It is our hope that the analytic continuation of such series might be helpful the study non-compact spin chains, for which we give some flavour. Besides, we show that the fluctuations within the arctic curve of the six-vertex model with domain-wall boundary conditions are captured by a Gaussian free field with space-dependent coupling constant that can be computed from the free energy of the periodic XXZ spin chain with an imaginary twist and in a magnetic field.

L'objet de cette thèse est l'étude théorique et expérimentale de gaz de Bose à une dimension (1D), confinés à la surface d'une micro-structure. Une part importante du travail de thèse a été la modification du montage expérimental: le système laser a été remplacé, et l'installation d'un nouvel objectif de grande ouverture numérique (0.4) a nécessité le changement du dessin de la puce ainsi que l'adaptation du système à vide. Nous avons étudié les corrélations du second ordre dans l'espace des impulsions, en appliquant une méthode qui nous permet d'enregistrer en une seule image la distribution en vitesses complète de notre gaz. Nos données explorent les différents régimes du gaz à faibles interactions, du gaz de Bose idéal au quasi-condensat. Ces mesures ont montré le phénomène de groupement bosonique dans les deux phases, tandis que le quasi-condensat comporte des corrélations négatives en dehors de la diagonale. Ces anti-corrélations sont une signature de l'absence d'ordre à longue portée en 1D. Les mesures sont en bon accord avec des calculs analytiques ainsi que des simulations numériques de type Monte Carlo Quantique. Ensuite, l'objet d'un second projet est l'étude du refroidissement de gaz 1D. Comme nos échantillons occupent seulement l'état fondamental du piège transverse, il n'est pas possible de sélectionner les atomes les plus énergiques pour évaporer le gaz de façon habituelle. Une méthode alternative, qui repose sur la perte non-sélective d'atomes, a été proposée et mise en pratique expérimentalement par des collègues. Leurs résultats sont compatibles avec des observations faites sur notre montage, très semblable au leur. Tout d'abord, nous avons aussi obtenu des température d'environ 10% de l'énergie de l'état fondamental transverse. Deuxièmement, des simulations champ classique ont montré la robustesse de l'état hors d'équilibre généré par de telles pertes: les différents modes perdent en effet de l'énergie à des taux différents. Ceci est en accord avec l'observation expérimentale suivante: selon la méthode de thermométrie utilisée, chacune explorant des excitations d'énergies différentes, les températures mesurées sont différentes. Enfin, nous relions cet état non-thermique à la nature intégrable du système considéré. / We present experimental and theoretical results on ultracold one-dimensional (1D) Bose gases, trapped at the surface of a micro-structure. A large part of the doctoral work was dedicated to the upgrade of the experimental apparatus: the laser system was replaced and the installation of a new imaging objective of high numerical aperture (0.4) required the modification of the atom chip design and the vacuum system. We then probed second-order correlations in momentum space, using a focussing method which allows us to record the velocity distribution of our gas in a single shot. Our data span the weakly-interacting regime of the 1D Bose gas, going from the ideal Bose gas regime to the quasi-condensate. These measurements revealed bunching in both phases, while in the quasi-condensate off-diagonal negative correlations, a the signature of the absence of long-range order in 1D, were revealed. These experimental results agree well with analytical calculations and exact Quantum Monte Carlo simulations. A second project focussed on the cooling of such 1D gases. Since the samples lie in the ground state of the transverse trap, energy selection to carry out usual evaporative cooling is not possible. An alternative cooling scheme, based on non-selective removal of particles, was proposed and demonstrated by colleagues. These findings are compatible with observations on our setup, similar to theirs. Firstly, we also reached temperatures as low as 10% of the transverse gap in earlier experiments. Secondly, with classical field simulations we demonstrate the robustness of the non-thermal arising from these losses: different modes indeed lose energy at different rates. This agrees with the following observation: depending on the thermometry we use, each probing excitations of different energies, the measured temperatures are different, beyond experimental uncertainty. Finally, we relate this non-thermal state to the integrable nature of the 1D Bose gas.

The general scope of this thesis is aimed at investigating certain classes of discrete equations through the analysis of certain characteristics of the solutions of these equations. We construct new methods of analysis based on the growth of these characteristics that let us single out known integrable discrete equations from certain class of equations. These integrable discrete equations are discrete analogues of the famous Painleve equations.

Dans cette thèse, nous proposons de nouveaux résultats de systèmes superintégrables séparables en coordonnées polaires. Dans un premier temps, nous présentons une classification complète de tous les systèmes superintégrables séparables en coordonnées polaires qui admettent une intégrale du mouvement d'ordre trois. Des potentiels s'exprimant en terme de la sixième transcendante de Painlevé et de la fonction elliptique de Weierstrass sont présentés. Ensuite, nous introduisons une famille infinie de systèmes classiques et quantiques intégrables et exactement résolubles en coordonnées polaires. Cette famille s'exprime en terme d'un paramètre k. Le spectre d'énergie et les fonctions d'onde des systèmes quantiques sont présentés. Une conjecture postulant la superintégrabilité de ces systèmes est formulée et est vérifiée pour k=1,2,3,4. L'ordre des intégrales du mouvement proposées est 2k où k ∈ ℕ. La structure algébrique de la famille de systèmes quantiques est formulée en terme d'une algèbre cachée où le nombre de générateurs dépend du paramètre k. Une généralisation quasi-exactement résoluble et intégrable de la famille de potentiels est proposée. Finalement, les trajectoires classiques de la famille de systèmes sont calculées pour tous les cas rationnels k ∈ ℚ. Celles-ci s'expriment en terme des polynômes de Chebyshev. Les courbes associées aux trajectoires sont présentées pour les premiers cas k=1, 2, 3, 4, 1/2, 1/3 et 3/2 et les trajectoires bornées sont fermées et périodiques dans l'espace des phases. Ainsi, les résultats obtenus viennent renforcer la possible véracité de la conjecture. / In this thesis, we propose new superintegrable systems separable in polar coordinates. After the introduction, in chapter 2, we present a complete classification of all separable systems in polar coordinates which admit a third order integral in addtion to the second order one responsible for the separation of variables. New potentials expressed in terms of the sixth Painlevé transcendent and of the Weierstrass elliptic function are obtained. In chapter 3 we introduce an infinite family of integrable and exactly sovable classical and quantum systems separable in polar coordinates. This family is described in term of a parameter k. The energy spectrum and the wave functions of the quantum systems are obtained. A conjecture postulating the superintegrability of these systems is formulated and is verified for the first cases k = 1,2,3,4. The order of the integrals is 2k where k ∈ ℕ. The algebraic structure of the family of quantum systems is formulated in term of a hidden algebra where the number of generators depends on the parameter k. A quasi-exactly solvable and integrable generalization of the family of potentials is proposed. Finally in chapter 4, the classical trajectories of the family of systems are calculated for all the rational cases k ∈ ℚ. Those are expressed in term of Chebyshev polynomials. We plot the curves associated with the trajectories for k=1,2,3,4,1/2, 1/3 and 3/2. The bounded curves are closed and periodic in the two dimensional phase space. Those results obtained reinforce the possible veracity of the conjecture.

Ce mémoire est une poursuite de l’étude de la superintégrabilité classique et quantique dans un espace euclidien de dimension deux avec une intégrale du mouvement d’ordre trois. Il est constitué d’un article. Puisque les classifications de tous les Hamiltoniens séparables en coordonnées cartésiennes et polaires sont déjà complétées, nous apportons à ce tableau l’étude de ces systèmes séparables en coordonnées paraboliques. Premièrement, nous dérivons les équations déterminantes d’un système en coordonnées paraboliques et ensuite nous résolvons les équations obtenues afin de trouver les intégrales d’ordre trois pour un potentiel qui permet la séparation en coordonnées paraboliques. Finalement, nous démontrons que toutes les intégrales d’ordre trois pour les potentiels séparables en coordonnées paraboliques dans l’espace euclidien de dimension deux sont réductibles. Dans la conclusion de l’article nous analysons les différences entre les potentiels séparables en coordonnées cartésiennes et polaires d’un côté et en coordonnées paraboliques d’une autre côté. Mots clés: intégrabilité, superintégrabilité, mécanique classique, mécanique quantique, Hamiltonien, séparation de variable, commutation. / This thesis is a contribution to the study of classical and quantum superintegrability in a two-dimensional Euclidean space involving a third order integral of motion. It consists of an article. Because the classifications of all separable hamiltonians into Cartesian and polar coordinates are already complete, we bring to this picture the study of those systems in parabolic coordinates. First, we derive the determinating equations of a system into parabolic coordinates, after which we solve the obtained equations in order to find integrals of order three for potentials, which allow the separations of variables into the parabolic coordinates. Finally, we prove that all the third order integrals for separable potentials in parabolic coordinates in the Euclidean space of dimension two are reducible. In the conclusion of this article, we analyze the differences between the separable potentials in Cartesian and polar coordinates and the separable potentials in parabolic coordinates. Keywords: integrability, superintegrability, classical mechanics, quantum mechanics, Hamiltonian, separation of variables, commutation.