Cette thèse est consacrée à l'étude des équations de Gross-Pitaevskii et de Landau-Lifshitz, qui présentent d'importantes applications en physique. L'équation de Gross-Pitaevskii modélise des phénomènes de l'optique non linéaire, de la superfluidité et de la condensation de Bose-Einstein, tandis que l'équation de Landau-Lifshitz décrit la dynamique de l'aimantation dans des matériaux ferromagnétiques. Lorsqu'on modélise la matière à très basse température, on fait l'hypothèse que l'interaction des particules est ponctuelle. L'équation de Gross-Pitaevskii classique s'en déduit alors en prenant comme interaction une masse de Dirac. Cependant, différents types de potentiels non locaux probablement plus réalistes ont aussi été proposés par des physiciens pour modéliser des interactions plus générales. Dans un premier temps, on s'intéressera à donner des conditions suffisantes couvrant une variété assez large d'interactions non locales et telles que le problème de Cauchy associé soit globalement bien posé avec des conditions non nulles à l'infini. Par la suite, on étudiera les ondes progressives de ce modèle non local et on donnera des conditions telles que l'on puisse déterminer les vitesses pour lesquelles il n'existe pas de solution non constante d'énergie finie. Concernant l'équation de Landau-Lifshitz, on s'intéressera aussi aux ondes progressives d'énergie finie. On montrera la non existence d'ondes progressives non constantes d'énergie petite en dimensions deux, trois et quatre, sous l'hypothèse que l'énergie soit inférieure au moment dans le cas de la dimension deux. En outre, on donnera aussi dans le cas bidimensionnel la description d'une courbe minimisante qui pourrait donner une approche variationnelle pour construire des solutions de l'équation de Landau-Lifshitz. Finalement, on décrira le comportement à l'infini des ondes progressives d'énergie finie.

Dans cette thèse, nous étudions le comportement à longue distance des membranes polymérisées en utilisant une approche de groupe de renormalization non-perturbative (NPRG). Après une présentation du NPRG, nous introduisons les membranes. Dans notre travail, nous nous concentrons sur différents types de membranes polymérisées: homogène, anisotrope et avec du désordre gelé́. De plus, nous avons aussi étudié les points de Lifshitz dans les systèmes magnétiques. Nos résultats, aussi bien pour les membranes que pour Lifshitz, se comparent bien aux résultats perturbatifs dans les différents cas limites: couplages faibles, basse température et large-d (ou large-n pour Lifshitz). Mais, en utilisant le NPRG, nous pouvons aller au de-là̀ de ces cas limites et atteindre les cas qui sont physiquement intéressants. La question de l'ordre de la transition entre la phase froissé et la phase plate dans les membranes homogènes est depuis longtemps sans une réponse définitive. Malgré̀ que nos résultats ne permettent pas encore de lever cette question, ils semblent indiquer que la transition est du premier ordre en accord avec des simulations récentes. Une propriété́ importante des membranes polymérisées est l'existence d'une phase plate à basse température avec un comportement non-trivial. Cette phase décrit correctement le comportement du graphène malgré̀ que les dégrées de liberté́ électroniques ne soient pas pris en compte

The phase separation of mixed Langmuir-Blodgett (LB) monolayers was investigated using a combination of atomic force microscopy (AFM), X-ray photoelectron emission microscopy (X-PEEM) and confocal fluorescent microscopy measurements. Shapes of phase-separated domains that formed on solid substrate surfaces depended on a competition between line tension and dipole-dipole interactions. In the mixed LB film of arachidic acid (C19H39COOH) (C20) and perfluorotetradecanoic acid (C13F27COOH) (F14), the components phase separated into elevated hexagonal domains of C20 surrounded by a continuous domain primarily consisting of F14. The underlying molecular arrangement of C20 was found to be an oblique packing. The domains in this system grew via Ostwald ripening and the kinetics of their growth was modeled by twodimensional LifshitzSlyozov equation. In the stearic acid (C17H35COOH) (C18) and F14 mixed films, the C18 domains formed a linear pattern where the F14 molecules filled the areas in between the lines occupied by C18. For the mixed film of palmitic acid (C15H31COOH) (C16) and perfluorooctadecanoic acid (C17F35COOH) (F18), the surfactants phaseseparated into elevated hexagonal domains with hairy extensions radiating from them. These domains were composed of F18 and surrounded by C16. Ostwald ripening was found to be the mechanism of domain growth. Phase separation was controlled by different forces such as line tension and dipole interactions, as well as the diffusion of the molecules, solubility of the surfactant in the sub-phase, temperature and surface pressure. Simple mechanisms regarding phase separation and pattern formation were discussed in these mixed systems. It was observed that all fatty acid / F14 systems in this study were immiscible at all molar fractions examined. The fatty acid / F18 systems were immiscible at short chains of fatty acids (myristic acid (C13H27COOH) C14, C16, C18), whereas at longer fatty acid chains (C20, C22 behenic acid (C21H43COOH)) the components of the mixed system became miscible. When perfluorocarboxylic acid chain combined with fatty acids, the domains changed from large hexagonal domains into narrow lines as the fatty acid chain decreased in length.

The phase separation of mixed Langmuir-Blodgett (LB) monolayers was investigated using a combination of atomic force microscopy (AFM), X-ray photoelectron emission microscopy (X-PEEM) and confocal fluorescent microscopy measurements. Shapes of phase-separated domains that formed on solid substrate surfaces depended on a competition between line tension and dipole-dipole interactions. In the mixed LB film of arachidic acid (C19H39COOH) (C20) and perfluorotetradecanoic acid (C13F27COOH) (F14), the components phase separated into elevated hexagonal domains of C20 surrounded by a continuous domain primarily consisting of F14. The underlying molecular arrangement of C20 was found to be an oblique packing. The domains in this system grew via Ostwald ripening and the kinetics of their growth was modeled by twodimensional LifshitzSlyozov equation. In the stearic acid (C17H35COOH) (C18) and F14 mixed films, the C18 domains formed a linear pattern where the F14 molecules filled the areas in between the lines occupied by C18. For the mixed film of palmitic acid (C15H31COOH) (C16) and perfluorooctadecanoic acid (C17F35COOH) (F18), the surfactants phaseseparated into elevated hexagonal domains with hairy extensions radiating from them. These domains were composed of F18 and surrounded by C16. Ostwald ripening was found to be the mechanism of domain growth. Phase separation was controlled by different forces such as line tension and dipole interactions, as well as the diffusion of the molecules, solubility of the surfactant in the sub-phase, temperature and surface pressure. Simple mechanisms regarding phase separation and pattern formation were discussed in these mixed systems. It was observed that all fatty acid / F14 systems in this study were immiscible at all molar fractions examined. The fatty acid / F18 systems were immiscible at short chains of fatty acids (myristic acid (C13H27COOH) C14, C16, C18), whereas at longer fatty acid chains (C20, C22 behenic acid (C21H43COOH)) the components of the mixed system became miscible. When perfluorocarboxylic acid chain combined with fatty acids, the domains changed from large hexagonal domains into narrow lines as the fatty acid chain decreased in length.

Thema der Dissertation ist die Untersuchung von asymptotischen Eigenschaften im Wechselspiel von Diffusion und Wellenausbreitung. Es geht um diskrete, zufällige Schrödingeroperatoren, die in die diskrete Wärmeleitungsgleichung eingefügt werden. Das Ensemble der Lösungen kann mit der vom diskreten Laplace erzeugten Irrfahrt in kontinuierlicher Zeit und der Feynman-Kac-Formel stochastisch interpretiert werden. So werden Methoden aus der Theorie der großen Abweichungen anwendbar. Neben dem stochastischen Zugang können die Schrödingeroperatoren auch spektraltheoretisch untersucht werden. In der Dissertation wird das Wechselspiel dieser beiden Herangehensweisen im Hinblick auf die asymptotischen Eigenschaften der Momente, der integrierten Zustandsdichte und der Korrelationsfunktion betrachtet.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von partikelbasierenden Strömungs- und Transportmodellen zur Charakterisierung von kleinskaligen Strömungsprozessen in gesättigten und ungesättigten Poren- und Kluftsystemen. Aufgrund der unzureichenden Prozessbeschreibung von ungesättigter Strömung in Doppelkontinuummodellen mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern werden innovative Methoden präsentiert um die zugrunde liegenden hochdynamischen Strömungs- und Transportprozesse zu erfassen. Die Simulation von Strömung und Transport in ungesättigten geklüfteten Aquiferen bildet immer noch ein höchst anspruchsvolles Aufgabenfeld aufgrund von skalenübergreifenden Diskontinuitäten, welche oftmals die Definition eines globalen repräsentativen Einheitsvolumens nicht zulassen. Des Weiteren können die hydraulischen Eigenschaften und potentiellen Parameterräume von geklüfteten Aquiferen oftmals nur durch integrale Ansätze, wie z.B. Pump- und Slugtests, Zeitreihenanalysen von Quellschüttungen und Tracertests ermittelt werden. Doppelkontinuummodelle bieten hierfür einen ausgewogenen Ansatz hinsichtlich der erforderlichen Felddaten und der resultierenden prädiktiven Modellqualität. Der erste Teil dieser Arbeit evaluiert den Doppelkontinuumansatz, welcher die Simulation von Strömung mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern in zwei, durch einen linearen Austauschterm gekoppelten, Kontinua ermöglicht. Ganglinien von Karstquellen weisen eine charakteristischen steilen Abfall nach Niederschlagsereignissen auf, der durch das Modell erfolgreich reproduziert werden kann. Das Röhrensystem bildet die hydraulische Brücke zur Karstquelle und nimmt potentialabhängige Wassermengen des geklüfteten Matrixsystems auf. Um die Simulation von schneller Grundwasserinfiltration durch das Röhrenkontinuum innerhalb der ungesättigten Zone zu vermeiden wurde die entsprechende Randbedingung an die untere Grenze des Kontinuums gesetzt. Ein genereller Nachteil des Doppelkontinuumsansatz ist die potentielle Mehrdeutigkeit von Modellergebnissen. Der duale Parameterraum in Kombination mit schwierig zu ermittelnden Parametern, führt zur Existenz von mehr als einem kalibrierten Modell, wie durch mehrdimensionale Sensitivitätsanalysen aufgezeigt wird.  Insbesondere in Karstaquiferen bilden Diskontinuitäten, wie z.B. Lösungsdolinen, Klüfte und Störungssysteme, bevorzugte hydraulische Elemente für schnelle vertikale Grundwasserneubildungsprozesse, die oftmals nicht durch volumeneffektive Modellansätze erfasst werden können. Der Hauptteil dieser Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung von zwei Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Modellen um ein adäquates numerisches Werkzeug zur partikelbasierenden Simulation von kleinskaligen Strömungen mit freien Oberflächen und Transportprozessen bereitzustellen. SPH Modelle ermöglichen eine Eulersche Beschreibung eines Strömungsfelds auf Basis der Navier-Stokes Gleichung und Partikelbewegung mittels klassischer Newtonscher Mechanik. Der gitterlose Modellansatz ermöglicht flexible Simulationen von hochdynamischen Phasengrenzen in ungesättigten Klüften und Porenräumen. Das erste SPH Modell wird eingesetzt um durch Oberflächenspannung dominierte Tropfen- und Filmströmungen auf glatten und rauhen Kluftoberflächen zu simulieren. Charakteristische dimensionslose Kennzahlen werden über einen weiten Bereich von Benetzungswinkeln und Reynoldszahlen bestimmt. Modellergebnisse weisen einen hervorragende Übereinstimmung mit dimensionslosen Skalierungsfunktionen auf und kritische Kontaktwinkel folgen der zu erwartenden Entnetzungsdynamik. Die Entstehung von adsorbierten Filmen auf trockenen Oberflächen wird für einen breiten Parameterraum bestimmt. Des Weiteren wird der Einfluss von befeuchteten Oberflächen auf die Geschwindigkeitszunahme von Tropfenströmung aufgezeigt und so die Bedeutung der Koexistenz verschiedener Strömungsmodi gezeigt. Der Effekt von Oberflächenrauhigkeit auf Tropfenströmung wird für verschiedene Rauhigkeiten ermittelt und eine deutliche Geschwindigkeitsabnahme demonstriert. Um die makroskopische Kontinuumsbeschreibung der Navier-Stokes Gleichung und atomistische Effekte eines klassischen Partikelsystems der statistischen Mechanik zu kombinieren wurde ein zweites mesoskopisches SPH Modell entwickelt. Diese neue Diskretisation der vollständig gekoppelten Landau-Lifshitz-Navier-Stokes und Advektions- Diffusionsgleichung ermöglicht die Simulation von Strömung und Transport bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Fluktuationsdynamiken, welche sich korrekt der Systemskala anpassen. Die Verbindung von klassischer Fickscher Diffusion und thermodynamischen Fluktuationen wird hierbei durch einen effektiven Diffusionskoeffizienten beschrieben. Numerische Experimente zeigen die Präzision des Modells. Grenzflächen zwischen zwei Fluiden unterschiedlicher Konzentration weisen eine korrekte Wellenzahldivergenz entsprechend aktuellen Laborergebnissen auf.

Cette thèse exploite les liens profonds entre la physique des systèmes quantiques locaux, les propriétés non locales de leurs états fondamentaux et le contenu en information de ces états. Les deux premiers chapitres sont consacrés à l’application des systèmes quantiques locaux pour les fins d’une tâche informationnelle précise, soit le calcul quantique. Au terme d’un bref survol de la théorie, nous proposons un patron pour le calcul quantique universel et évolutif pouvant être réalisé sur une grande variété de plateformes physiques, et démontrons qu’il est particulièrement résilient face à un bruit anisotrope. Les quatre derniers chapitres sont pour leur part consacrés à l’approche informationnelle des systèmes quantiques à corps multiples. Nous décrivons les principales propriétés des corrélations et de l’intrication dans les états fondamentaux des systèmes de dimensions réduites les plus courants, en distinguant systèmes non critiques et systèmes critiques. Nous montrons que ces propriétés sont fortement modifiées par la présence de frustration géométrique dans les chaînes de spins. Enfin, nous réalisons une analyse exhaustive des corrélations et de l’intrication dans les états fondamentaux de deux théories quantiques de champs non triviales. / This thesis exploits the deep connections between the physics of local quantum systems, the nonlocal features in their ground states, and the information content of these states. The first two chapters are dedicated to the application of local quantum systems for the purpose of a definite information-theoretical task, namely quantum computation. After a brief survey of the theory, we propose a scheme for scalable universal quantum computation that, we argue, could be implemented on a wide variety of physical platforms, and show that it is particularly resilient to anisotropic noise. The last four chapters are dedicated to the information-theoretical approach of many-body quantum systems. We describe the main properties of correlations and entanglement in the ground states of the most common low-dimensional many-body systems, distinguishing between noncritical systems and critical ones. We show how these properties can be dramatically modified by the presence of geometric frustration in spin chains. Finally, we perform an intensive study of correlations and entanglement in the ground states of two nontrivial one-dimensional quantum field theories.

This thesis considers the problem of determining Casimir-Lifshitz forces in inhomogeneous media. The ground-state energy of the electromagnetic field in a piston-geometry is discussed. When the cavity is empty, the Casimir pressure on the piston is finite and independent of the small-scale physics of the media that compose the mirrors. However, it is demonstrated that, when the cavity is filled with an inhomogeneous dielectric medium, the Casimir energy is cut-off dependent. The local behavior of the stress tensor commonly used in calculations of Casimir forces is also determined. It is shown that the usual expression for the stress tensor is not finite anywhere within such a medium, whatever the temporal dispersion or index profile, and that this divergence is unlikely to be removed by modifying the regularisation. These findings suggest that the value of the Casimir pressure may be inextricably dependent on the detailed behavior of the mirror and the medium at large wave vectors. This thesis also examines two exceptions to this rule: first, the case of an idealised metamaterial is considered which, when introduced into a cavity, reduces the magnitude of the Casimir force. It is shown that, although the medium is inhomogeneous, it does not contribute additional scattering events but simply modifies the effective length of the cavity, so the predicted force is finite and can be stated exactly. Secondly, a geometric argument is presented for determining a Casimir stress in a spherical mirror filled with the inhomogeneous medium of Maxwell's fish-eye. This solution questions the idea that the Casimir force of a spherical mirror is repulsive, but prompts additional questions concerning regularisation and the role of non-local effects in determining Casimir forces.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation et la simulation de dispositifs nanoélectroniques innovants. Premièrement, nous dérivons formellement un modèle avec masse effective pour décrire le transport quantique des électrons dans des nanostructures très fortement confinées. Des simulations numériques illustrent l'intérêt du modèle obtenu pour un dispositif simplifié mais déjà significatif. La deuxième partie est consacrée à l'étude du transport non ballistique dans ces mêmes structures confinées. Nous analysons rigoureusement un modèle de drift-diffusion et puis nous décrivons et implémentons une approche de couplage spatial classique-quantique. Enfin, nous modélisons et simulons un nanodispositif de spintronique. Plus précisement, nous étudions le renversement d'aimantation dans un matériau ferromagnétique multi-couches sous l'effet d'un courant de spin.

Cette thèse a le but d'introduire le concept de l'inertie dans la dynamique dissipative du macrospin. En suivant le travail de T. L. Gilbert dans cette direction, une masse est associée au macrospin, qui n'est pas liée au mouvement d'une masse réelle, mais à l'inertie du macrospin. Comme conséquence, une forme généralisée de l'équation dynamique du Gilbert tenant compte de l'inertie du macrospin est obtenue. A l'échelle d'une nanostructure ferromagnétique, les fluctuations sont relevantes. Le macrospin suit un mouvement Brownien dans l'espace de configuration correspondant (une sphère de rayon Ms). Pour faire une description de la dynamique du macrospin, une simple, rigoureuse et nouvelle théorie, celle de la thermodynamique mésoscopique hors équilibre est utilisée comme alternative au formalisme des processus stochastiques utilisé par W. F. Brown Jr. L'état de l'aimantation est décrit par un nombre de degrés de liberté qui influencent la dynamique du système : l'orientation m de l'aimantation décrite par les angles (θ, φ) et la vitesse u = dm/dt , ou le moment cinétique L. Une fonction de distribution f est introduite liée à la probabilité de trouver l'aimantation dans un état particulier (m, u) ou (m,L). La combination de la définition statistique de l'entropie comme une fonction de la probabilité, avec la méthodologie systèmatique de la thermodynamique hors equilibre résulte dans une théorie puissante décrivant pas seulement la dynamique moyennée du macrospin, mais aussi les fluctuations autour de la moyenne. Donc, une équation généralisée dynamique de Gilbert et une équation généralisée stochastique de Brown sont obtenues avec la théorie MNET. Un temps de relaxation est défini dépendent de l'inertie et du coefficient de dissipation du macrospin. Le comportement de l'aimantation impose deux régimes : un régime inertiel ou des temps courts t << τ , et le régime de diffusion ou des temps longs t >> τ . Un nouveau phénomène, la nutation, est prédite dans le régime inertiel, tandis que l'équation dynamique de Gilbert et l'équation stochastique de Brown sont obtenues aux temps longs. De plus, la question sur l'application de MNET dans le domaine de la spintronique est posée dans le contexte du spin transfer. Un modèle à deux fluides en rotation est présenté pour les spins s des électrons de conduction et les spins d des électrons constituant l'aimantation. Le modèle est intéressant proche de la interface normal-ferromagnet où se trouve accumulation de spin.