Dirac fermions provide a prototypical description of topological insulators and their gapless boundary states, which are predicted by the bulk-boundary correspondence. Motivated by the unusual physical properties of these states, we study them in two different Hermitian quantum systems. In non-Hermitian systems, we investigate the failure of the bulk-boundary correspondence and show that non-Hermitian topological invariants impact a system’s bulk response. First, we study electronic topological insulators in three dimensions with time-reversal symmetry. These can be characterized by a quantized magnetoelectric coefficient in the bulk, which, however, does not yield an experimentally observable response. We show that the signature response of a time-reversal-invariant topological insulator is a nonlinear magnetoelectric effect, which in the presence of a small electric field leads to the appearance of half-integer charges bound to a magnetic flux quantum. Next, we consider topological superconducting nanowires. These feature Majorana zero modes at their ends, which combine nonlocally into a single electronic state. An electron tunneling through such a state will be transmitted phase-coherently from one end of the wire to the other. We compute the transmission phase for nanowires with broken time-reversal symmetry and confirm that it is independent of the wire length. Turning to non-Hermitian systems, we consider planar optical microcavities with an anisotropic cavity material, which may feature topological degeneracies known as excep- tional points in their complex frequency spectrum. We present a quantitative method to extract an effective non-Hermitian Hamiltonian for the eigenmodes, and describe how a pair of exceptional points arises from a Dirac point due to the cavity loss. Finally, we investigate generalized topological invariants that can be defined for non- Hermitian systems, but which have no counterpart (i.e. vanish) in Hermitian systems, for example the so-called non-Hermitian winding number in one dimension. Contrary to Hermitian systems, the bulk-boundary correspondence breaks down: Comparing Green functions for periodic and open boundary conditions, we find that in general there is no correspondence between topological invariants computed for periodic boundary con- ditions, and boundary eigenstates observed for open boundary conditions. Instead, we prove that the non-Hermitian winding number in one dimension signals a topological phase transition in the bulk: It implies spatial growth of the bulk Green function, which we define as the response of a gapped system to an external perturbation on timescales where the induced excitations have not propagated to the boundary yet. Since periodic systems cannot accommodate such spatial growth, they differ from open ones.

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Emergent electronic phenomena in iron-based superconductors have been at the forefront of condensed matter physics for more than a decade. Much has been learned about the origins and intertwined roles of ordered phases, including nematicity, magnetism, and superconductivity, in this fascinating class of materials. In recent years, focus has been centered on the peculiar and highly unusual properties of FeSe and its close cousins. This family of materials has attracted considerable attention due to the discovery of unexpected superconducting gap structures, a wide range of superconducting critical temperatures, and evidence for nontrivial band topology, including associated spin-helical surface states and vortex-induced Majorana bound states. Here, we review superconductivity in iron chalcogenide superconductors, including bulk FeSe, doped bulk FeSe, FeTe1−xSex, intercalated FeSe materials, and monolayer FeSe and FeTe1−xSex on SrTiO3. We focus on the superconducting properties, including a survey of the relevant experimental studies, and a discussion of the different proposed theoretical pairing scenarios. In the last part of the paper, we review the growing recent evidence for nontrivial topological effects in FeSe-related materials, focusing again on interesting implications for superconductivity.

Le détecteur Nemo3 a été conçu pour étudier la double désintégration bêta, et notamment, le processus sans émission de neutrino ( bb0v). Toutefois, la quantité de 100Mo présente dans le détecteur (7 kg) permet aussi une mesure compétitive de la double désintégration bêta avec émission de deux neutrinos ( bb2v) du 100Mo vers l'état excité 0+1 du 100Ru (canal eeNy). Ledit processus et les sources de bruit de fond attendues ont d'abord fait l'objet 'études par simulations Monte-Carlo, a n d'estimer ensuite leurs contributions respectives à l'ensemble des données expérimentales de Nemo3 (2003-2011). Celles-ci ont été analysées : la demi-vie du processus bb2v a pu être mesurée et une limite inférieure sur la demi-vie du processus bb0v établie. Par ailleurs, l'expérience SuperNEMO, successeur de Nemo3, vise à atteindre une sensibilité de 1026 années sur la demi-vie du processus bb0v. Aussi, la radiopureté des feuilles sources de SuperNEMO est soumise à des contraintes que ne permettent pas de mesurer les méthodes usuelles de spectrométrie y : 2 µBq.kg-1 en 208Tl et 10 µBq.kg-1 en 214Bi. C'est pourquoi un détecteur dédié, BiPo, a été développé pour mesurer les contaminations en 208Tl et en 214Bi des feuilles sources de SuperNEMO, par détection de la chaîne b-alpha de décroissance Bi->Po->Pb. Après avoir validé le principe de mesure, la contamination intrinsèque au détecteur a été mesurée. Extrapolée à un détecteur BiPo final de 3:6m2, ce dernier permettra de mesurer les contaminations des feuilles sources de SuperNEMO en 208Tl et en 214Bi, en six mois de mesure, avec la sensibilité requise.

La première partie de la thèse étudie le diagramme de phase d’une généralisation de la chaîne de Kitaev qui décrit un système fermionique avec un pairing p-wave à long rayon qui tombe avec la distance ℓ comme 1/ℓα. On a analysé les lignes critiques, les corrélations et le comportement de l’entropie d’entanglement avec la taille du système. Nous avons démontré l’existence de deux régimes massifs, (i) où les fonctions de corrélation tombent exponentiellement à de courtes distances et comme puissance à de longues distances (α > 1), (ii) où elles tombent à puissance seulement (α < 1). Dans la seconde région l’entropie d’intrication d’un sous-système diverge logarithmiquement. Remarquablement, sur les lignes critiques, le pairing à long rayon brise la symètrie conforme du modèle pour des α suffisamment petits. On a prouvé ça en calculant aussi l’évolution temporelle de l’entropie d’intrication après un quench. Dans la seconde partie de la thèse nous avons analysé la dynamique de l’entropie d’intrication du modèle d’Ising avec un champ magnétique qui dépend linéairement du temps avec de différentes vitesses. Nous avons un régime adiabatique (de basses vitesses) lorsque le système évolue selon son état fondamental instantané; un sudden quench (de hautes vitesses) lorsque le système est congelé dans son état initial; un régime intermédiaire où l’entropie croît linéairement et, ensuite, elle montre des oscillations du moment que le système se trouve dans une superposition des états excités de l’Hamiltonienne instantanée. Nous avons discuté aussi du mécanisme de Kibble-Zurek pour la transition entre la phase paramagnétique et antiferromagnétique. / In the first part of the thesis, we propose an exactly-solvable one-dimensional model for fermions with long-range p-wave pairing decaying with distance ℓ as a power law 1/ℓα. We studied the phase diagram by analyzing the critical lines, the decay of correlation functions and the scaling of the von Neumann entropy with the system size. We found two gapped regimes, where correlation functions decay (i) exponentially at short range and algebraically at long range (α > 1), (ii) purely algebraically (α < 1). In the latter the entanglement entropy is found to diverge logarithmically. Most interestingly, along the critical lines, long-range pairing breaks the conformal symmetry for sufficiently small α. This can be detected also via the dynamics of entanglement following a quench. In the second part of the thesis we studied the evolution in time of the entanglement entropy for the Ising model in a transverse field varying linearly in time with different velocities. We found different regimes: an adiabatic one (small velocities) when the system evolves according the instan- taneous ground state; a sudden quench (large velocities) when the system is essentially frozen to its initial state; and an intermediate one, where the entropy starts growing linearly but then displays oscillations (also as a function of the velocity). Finally, we discussed the Kibble-Zurek mechanism for the transition between the paramagnetic and the ordered phase

L’expérience SuperNEMO est conçue pour la recherche de la double désintégration bêta (ββ) sans émission de neutrinos impliquant un neutrino de Majorana (ν ≡ ν̄) massif. Le module démonstrateur de l’expérience est actuellement en cours d’installation au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM). La technique de détection utilisée, dite tracko-calo, permet la mesure en énergie des particules traversant le détecteur ainsi qu’une reconstruction complète de leur cinématique.Cette thèse présente la conception, la simulation et l’implémentation d’un système de déclenchement de l’électronique pour le module démonstrateur de SuperNEMO. Le but de ce système est de maximiser l’efficacité de détection pour des évènements ββ ainsi que pour des évènements dits de bruits de fond issus de la radioactivité naturelle tout en réduisant le taux d’acquisition pour des évènements d’autodéclenchement des détecteurs. Un ensemble d’algorithmes de reconnaissances de traces et d’association calorimètre–trajectographe a été développé et implémenté dans les cartes électroniques après validation par des simulations Monte-Carlo. Les objectifs de performance ont été atteints en prenant en compte les différentes contraintes (physique des détecteurs, électronique, temps réel) maximisant les efficacités de détection pour des évènements d’intérêt physique. / The SuperNEMO experiment is designed for the neutrinoless double beta decay (ββ) research involving a massive Majorana neutrino (ν ≡ ν̄). The demonstrator module of the experiment is currently being installed at the Laboratoire Souterrain de Modane (LSM). The so-called tracko-calo detection technique allows the energy measurement of the particles passing through the detector and a complete reconstruction of their kinematics.This thesis presents the design, simulation and implementation of the electronics trigger system for the SuperNEMO demonstrator module. The purpose of this system is to maximize the detection efficiency for ββ events as well as for background events due to natural radioactivity while reducing the acquisition rate caused by spurious events. Pattern recognition and calorimeter-tracker association algorithms have been developed and implemented in electronic boards after validation by Monte-Carlo simulations. The performance targets have been reached, taking into account different constraints (physics of the detectors, electronics, real time) with maximized detection efficiency for events of interest.

Experiments on neutrino oscillations have confirmed that neutrinos have small, but non-zero masses, and that the interacting neutrino states do not have definite masses, but are mixtures of such states.The seesaw models make up a group of popular models describing the small neutrino masses and the corresponding mixing.In these models, new, heavy fields are introduced and the neutrino masses are suppressed by the ratio between the electroweak scale and the large masses of the new fields. Usually, the new fields introduced have masses far above the electroweak scale, outside the reach of any foreseeable experiments, making these versions of seesaw models essentially untestable. However, there are also so-called low-scale seesaw models, where the new particles have masses above the electroweak scale, but within the reach of future experiments, such as the LHC.In quantum field theories, quantum corrections generally introduce an energy-scale dependence on all their parameters, described by the renormalization group equations. In this thesis, the energy-scale dependence of the neutrino parameters in two low-scale seesaw models, the low-scale type I and inverse seesaw models, are considered. Also, the question of whether the neutrinos are Majorana particles, \ie , their own antiparticles, has not been decided experimentally. Future experiments on neutrinoless double beta decay could confirm the Majorana nature of neutrinos. However, there could also be additional contributions to the decay, which are not directly related to neutrino masses. We have investigated the possible future bounds on the strength of such additional contributions to neutrinoless double beta decay, depending on the outcome of ongoing and planned experiments related to neutrino masses. / QC 20110812

<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>

The standard model of particle physics can excellently describe the vast majorityof data of particle physics experiments. However, in its simplest form, it cannot account for the fact that the neutrinos are massive particles and lepton flavorsmixed, as required by the observation of neutrino oscillations. Hence, the standardmodel must be extended in order to account for these observations, opening up thepossibility to explore new and interesting physical phenomena. There are numerous models proposed to accommodate massive neutrinos. Thesimplest of these are able to describe the observations using only a small numberof effective parameters. Furthermore, neutrinos are the only known existing particleswhich have the potential of being their own antiparticles, a possibility that isactively being investigated through experiments on neutrinoless double beta decay.In this thesis, we analyse these simple models using Bayesian inference and constraintsfrom neutrino-related experiments, and we also investigate the potential offuture experiments on neutrinoless double beta decay to probe other kinds of newphysics. In addition, more elaborate theoretical models of neutrino masses have beenproposed, with the seesaw models being a particularly popular group of models inwhich new heavy particles generate neutrino masses. We study low-scale seesawmodels, in particular the resulting energy-scale dependence of the neutrino parameters,which incorporate new particles with masses within the reach of current andfuture experiments, such as the LHC. / Standardmodellen för partikelfysik beskriver den stora majoriteten data från partikelfysikexperimentutmärkt. Den kan emellertid inte i sin enklaste form beskrivadet faktum att neutriner är massiva partiklar och leptonsmakerna är blandande,vilket krävs enligt observationerna av neutrinooscillationer. Därför måste standardmodellenutökas för att ta hänsyn till detta, vilket öppnar upp möjligheten att utforska nya och intressanta fysikaliska fenomen. Det finns många föreslagna modeller för massiva neutriner. De enklaste av dessakan beskriva observationerna med endast ett fåtal effektiva parametrar. Dessutom är neutriner de enda kända befintliga partiklar som har potentialen att vara sinaegna antipartiklar, en möjlighet som aktivt undersöks genom experiment på neutrinolöst dubbelt betasönderfall. I denna avhandling analyserar vi dessa enkla modellermed Bayesisk inferens och begränsningar från neutrinorelaterade experiment och undersöker även potentialen för framtida experiment på neutrinolöst dubbelt betasönderfall att bergänsa andra typer av ny fysik. Även mer avancerade teoretiska modeller för neutrinomassor har föreslagits, med seesawmodeller som en särskilt populär grupp av modeller där nya tunga partiklargenererar neutrinomassor. Vi studerar seesawmodeller vid låga energier, i synnerhetneutrinoparametrarnas resulterande energiberoende, vilka inkluderar nya partiklarmed massor inom räckh°all för nuvarande och framtida experiment såsom LHC. / <p>QC 20130830</p>

Cette thèse présente la production d'un gaz dégénéré de rubidium 87 dans le régime quasi bidimensionnel (2D) et l'étude des modes collectifs de ce gaz. Nous montrons que le gaz quasi-2D peut être amené en dessous du seuil de la transition Berezinskii-Kosterlitz-Thouless. Nous montrons le caractère superfluide du gaz dégénéré par la présence des modes quadrupolaire et ciseaux, dont nous mesurons les fréquences d'oscillation. Son caractère bidimensionnel est vérifié par la mesure de la fréquence du mode monopolaire. Nous mettons en évidence l'influence du confinement transverse et de la troisième dimension sur la fréquence de ce mode. Pour produire le superfluide, un condensat de Bose-Einstein est d'abord produit dans un piège quadrupolaire bouché par un faisceau laser très désaccordé et soigneusement optimisé pour réduire les pertes Majorana par renversement de spin. Le condensat est ensuite transféré vers un "piège habillé", c'est-à-dire un potentiel adiabatique dans lequel les atomes sont habillés par un champ radiofréquence. Pour rendre le piège plus anisotrope, le gradient magnétique est augmenté au maximum, ce qui nous permet d'explorer le régime quasi-2D pour le gaz de Bose. Les deux types de piège utilisés sont caractérisés en détail. Nous tirons parti de la souplesse du potentiel adiabatique pour exciter et étudier les modes collectifs.