Cette thèse décrit la réalisation et l’étude de réseaux bidimensionnels de résonateurs supraconducteurs en nid d’abeille. Ce travail constitue un premier pas vers la simulation de systèmes de la matière condensée avec des circuits supraconducteurs. Ces réseaux sont micro-fabriqués et sont constitués de plusieurs centaines de sites. Afin d’observer les modes propres qui y apparaissent dans une gamme de fréquence entre 4 et 8 GHz, nous avons mis au point une technique d’imagerie. Celle-ci utilise la dissipation locale créée par un laser avec lequel nous pouvons adresser chaque site du réseau. Nous avons ainsi pu mesurer la structure de bande et caractériser les états de bord de nos réseaux. En particulier, nous avons observé les états localisés qui apparaissent à l'interface entre deux isolants de Semenoff ayant des masses opposées. Ces états, dits de Semenoff, sont d'origine topologique. Nos observations sont en excellent accord avec des simulations électromagnétiques ab initio. / This thesis describes the realization and study of honeycomb lattices of superconducting resonators. This work is a first step towards the simulation of condensed matter systems with superconducting circuits. Our lattices are micro-fabricated and typically contains a few hundred sites. In order to observe the eigen-modes that appear between 4 and 8 GHz, we have developed a mode imaging technique based on the local dissipation introduced by a laser spot that we can move across the lattice. We have been able to measure the band structure and to characterize the edge states of our lattices. In particular, we observe localized states that appear at the interface between two Semenoff insulators with opposite masses. These states, called Semenoff states, have a topological origin. Our observations are in good agreement with ab initio electromagnetic simulations.

1 This thesis concerns separation axioms in point-free topology. We introduce a notion of weak inclusion, which is a relation on a frame that is weaker than the relation ≤. Weak inclusions provide a uniform way to work with standard separation axioms such as subfitness, fitness, and regularity. Proofs using weak inclusions often bring new insight into the nature of the axioms. We focus on results related to the axiom of subfitness. We study a sublocale which is defined as the intersection of all the codense sublocales of a frame. We show that it need not be subfit. For spacial frames, it need not be spacial.

In this thesis we study a variety of two- and three-dimensional (2D and 3D, respectively) nodal semimetals, subjected to local electronic interactions or disorder. Such systems constitute a minimal model for various real materials and capture a plethora of interesting physical phenomena therein. Our methodology includes an unbiased renormalization group analysis controlled by epsilon expansions about the appropriate lower critical dimension, mean-field analysis, as well as complementary numerical analyses. First, we focus on emergent symmetries at various infrared unstable quantum critical points, appearing in a renormalization group flow of interaction couplings. We investigate a 3D chiral Dirac semimetal, which in a noninteracting system enjoys a microscopic U(1)⊗SU(2) global symmetry. Though the chiral symmetry is absent in the interacting model, it gets restored (partially or fully) at various fixed points as emergent phenomena. Subsequently, we study a collection of 3D interacting effective spin-3/2 biquadratic Luttinger fermions, and demonstrate the emergence of full rotational symmetry between the distinct nematic sectors (namely Eg and T2g ) of the corresponding octahedral group. We then investigate the effects of electronic interactions at zero and finite temperature and chemical doping in a collection of (i) 2D Dirac and Luttinger fermions, constituting the linearly and quadratically dispersing low-energy excitations in monolayer and bilayer graphene, respectively, and (ii) 3D Luttinger fermions, describing a biquadratic touching of Kramers degenerate conduction and valence bands, relevant in the normal state of 227 pyrochlore iridates, and half-Heusler compounds, for example. These systems exhibit a plethora of competing broken symmetry phases (both magnetic and superconducting) when tuning the strength of interactions, temperature, and chemical doping. In this context we propose the selection rules, identifying the broken symmetry phases promoted by a given interaction channel, and the organizing principle, ordering these preselected phases along the temperature axis based on a generalized energy-entropy argument. Finally, we explore topological aspects of nodal Fermi liquids. We propose an experimentally feasible way to engineer higher-order topological phases via the application of uniaxial strain on a 3D Luttinger semimetal. Favoring a direction, strain explicitly breaks cubic symmetry. We show that the corresponding nematic orderings of Luttinger fermions result in a topological insulator or Dirac semimetal, depending on the sign (compressive or tensile, respectively) of the strain. We show that both of these phases host 1D hinge modes, localized along the edges parallel to the direction of strain, that are therefore second-order topological in nature. We then investigate the effects of disorder on such a second-order Dirac semimetal, and show its stability for weak enough disorder. At a critical disorder strength the system goes through a quantum phase transition into a diffusive metal phase and the toplogical hinge states melt into the bulk. The methodology presented in this thesis can be extended to a large family of correlated multiband systems, such as Weyl and nodal-loop semimetal.

This project is engaged in optimalization of 3D polygonal models. Main automatic and also manual principles and methods used in the area of character model optimalization are introduced and discussed. Next the approach named geometry mapping, which was created as a part of the project and enables the creation of models with desired topology, is described.

Während das lokale Verhalten von geodätischen Kurven in Riemannschen Mannigfaltigkeiten gut verstanden ist, ist es wesentlich schwieriger das globale Verhalten dieser Kurven zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation greift daher zwei Themen heraus, in denen globale Eigenschaften von Geodätischen mit Invarianten Riemannscher Mannigfaltigkeiten in Verbindung gebracht werden. Zum Einen wird das Koprodukt der String-Topologie untersucht. Diese auf der Homologie des freien Schleifenraumes einer geschlossenen Mannigfaltigkeit definierte Abbildung kann geometrisch verstanden werden als Operation, welche Schleifen mit Selbstschnitten in zwei Teile zerschneidet. In der vorliegenden Dissertation wird gezeigt, dass das nicht-triviale Verhalten einer Iteration des Koprodukts genutzt werden kann um die Multiplizitäten bestimmter geschlossener Geodätischer abzuschätzen. Zudem wird das Koprodukt für bestimmte Klassen von Mannigfaltigkeiten untersucht. Der freie Schleifenraum einer Lie-Gruppe ist homömorph zum Produkt der Gruppe mit ihrem Schleifenraum bezüglich eines Punktes. Dies induziert einen Isomorphismus in Homologie und es wird gezeigt, dass sich das Koprodukt unter diesem Isomorphismus gut verhält. Durch das Nutzen expliziter Zykel kann man zudem sehen, dass das Koprodukt für kompakte, einfach zusammenhängende Lie-Gruppen von höherem Rang trivial ist. Anschließend wird das Koprodukt für den komplexen und den quaternionisch projektiven Raum berechnet. Hierfür werden wieder explizite Zykel genutzt, auf die das Koprodukt in gewisser Weise zurückgezogen werden kann. Im zweiten Teil der Dissertation wird die geodätische Komplexität einer vollständigen Riemannschen Mannigfaltigkeit untersucht. Die geodätische Komplexität ist eine ganzzahlige Isometrie-Invariante von vollständigen Riemannschen Mannigfaltigkeiten, welche man als Abstraktion des Problems der geodätischen Bewegungsplanung verstehen kann. Es stellt sich heraus, dass die geodätische Komplexität stark vom Schnittort einer vollständigen Riemannschen Mannigfaltigkeit abhängt. In der vorliegenden Dissertation wird die Struktur des Schnittorts von homogenen Riemannschen Mannigfaltigkeiten genutzt um eine obere Schranke an die geodätische Komplexität solcher Räume zu erhalten. Diese Abschätzung liefert insbesondere für Lie-Gruppen gute Resultate und kann genutzt werden um die geodätische Komplexität von zweidimensionalen flachen Tori und von Berger-Sphären zu bestimmen. Eine andere obere Schranke für die geodätische Komplexität erhält man durch das Betrachten von sogenannten gefaserten Zerlegungen des Schnittorts. In der vorliegenden Dissertation werden diese Zerlegungen eingeführt und es wird gezeigt, dass die Schnittorte aller kompakten irreduziblen einfach zusammenhängenden symmetrischen Räume solch eine Zerlegung zulassen. Dieses Resultat kann dann genutzt werden um eine Abschätzung der geodätischen Komplexität dieser Räume zu erhalten. Insbesondere kann die geodätische Komplexität vom komplexen und vom quaternionisch projektiven Raum bestimmt werden. Dieser zweite Teil der Dissertation geht aus einem gemeinsamen Projekt mit Stephan Mescher hervor. / While the local behavior of geodesics in Riemannaian manifolds is well understood, it is much harder to study the global behavior of such curves. In this thesis we study two problems which connect global properties of geodesics to invariants of Riemannian manifolds. Firstly, we study the string topology coproduct. This is a map on the homology of the free loop space of a closed manifold and can be understood as an operation that cuts loops with self-intersections into two parts. It is shown in the thesis that the non-trivial behavior of an iterate of the coproduct can be used to estimate the multiplicity of certain closed geodesics. Furthermore, we study the coproduct for particular classes of manifolds. The free loop space of a Lie group is homeomorphic to the product of the group with its based loop space. This induces an isomorphism in homology and we show that the coproduct behaves well with respect to this isomorphism. By considering explicit cycles one can show that the string topology coproduct is trivial for compact simply connected Lie groups of higher rank. Moreover, the string topology coproduct is computed explicitly for complex and quaternionic projective space again by using certain explicit cycles. In the second part of the thesis we study the geodesic complexity of complete Riemannian manifolds. Geodesic complexity is a numerical isometry invariant of complete Riemannian manifolds and can be understood as an abstraction of the geodesic motion planning problem. It turns out that the geodesic complexity of a complete Riemannian manifold highly depends on the cut locus of that manifold. We use the structure of the cut loci of homogeneous Riemannian manifolds to obtain an upper bound on the geodesic complexity of these spaces. This bound turns out to work very well for Lie groups and we use it to compute the geodesic complexity of flat two-dimensional tori and of Berger spheres. Another upper bound on geodesic complexity can be obtained by considering fibered decompositions of the total cut locus. In this thesis we introduce the concept of a fibered decomposition and show that the cut loci of compact irreducible simply connected symmetric spaces admit such decompositions. This result can then be used to prove an upper bound on the geodesic complexity of these spaces. In particular we determine the geodesic complexity of complex and quaternionic projective space. This second part of the thesis is based on joint work with Stephan Mescher.

This thesis is about visualizing a kind of data that is trivial to process by computers but difficult to imagine by humans because nature does not allow for intuition with this type of information: high-dimensional data. Such data often result from representing observations of objects under various aspects or with different properties. In many applications, a typical, laborious task is to find related objects or to group those that are similar to each other. One classic solution for this task is to imagine the data as vectors in a Euclidean space with object variables as dimensions. Utilizing Euclidean distance as a measure of similarity, objects with similar properties and values accumulate to groups, so-called clusters, that are exposed by cluster analysis on the high-dimensional point cloud. Because similar vectors can be thought of as objects that are alike in terms of their attributes, the point cloud\'s structure and individual cluster properties, like their size or compactness, summarize data categories and their relative importance. The contribution of this thesis is a novel analysis approach for visual exploration of high-dimensional point clouds without suffering from structural occlusion. The work is based on implementing two key concepts: The first idea is to discard those geometric properties that cannot be preserved and, thus, lead to the typical artifacts. Topological concepts are used instead to shift away the focus from a point-centered view on the data to a more structure-centered perspective. The advantage is that topology-driven clustering information can be extracted in the data\'s original domain and be preserved without loss in low dimensions. The second idea is to split the analysis into a topology-based global overview and a subsequent geometric local refinement. The occlusion-free overview enables the analyst to identify features and to link them to other visualizations that permit analysis of those properties not captured by the topological abstraction, e.g. cluster shape or value distributions in particular dimensions or subspaces. The advantage of separating structure from data point analysis is that restricting local analysis only to data subsets significantly reduces artifacts and the visual complexity of standard techniques. That is, the additional topological layer enables the analyst to identify structure that was hidden before and to focus on particular features by suppressing irrelevant points during local feature analysis. This thesis addresses the topology-based visual analysis of high-dimensional point clouds for both the time-invariant and the time-varying case. Time-invariant means that the points do not change in their number or positions. That is, the analyst explores the clustering of a fixed and constant set of points. The extension to the time-varying case implies the analysis of a varying clustering, where clusters appear as new, merge or split, or vanish. Especially for high-dimensional data, both tracking---which means to relate features over time---but also visualizing changing structure are difficult problems to solve.

Ces travaux concernent la modélisation dynamique et la commande des alternateurs couplés dans les réseaux électriques embarqués. Ces réseaux de puissance finie sont des systèmes multi-alternateurs multi-charges en forte interaction. Deux approches de modélisation ont été élaborées. La première, en vue de la simulation, consiste à établir une méthodologie de modélisation des systèmes multi-alternateurs multi-charges. Le système est subdivisé en deux sous systèmes découplés, l'un de nature électrique et l'autre de nature mécanique. L'établissement du modèle d'état électrique global repose d'une part sur l'écriture des constituants du réseau dans un même référentiel, et d'autre part sur l'application des lois reliant les circuits électriques. Afin d'optimiser le temps de calcul, les règles d'établissement du modèle global sont enrichies et une méthode d'inversion de la matrice inductance est proposée. La deuxième, en vue de la commande, explore et compare deux modèles, l'un de type comportemental et l'autre basé sur la théorie des perturbations singulières. Les régulateurs synthétisés ont été comparés sur un simulateur élémentaire. Une ébauche sur l'apport des régulateurs à paramètres variables a été présentée. Deux bancs d'essais ont été réalisés. Le premier est de type logiciel. Il reproduit le comportement temporel du réseau à topologie variable pour divers régimes, ainsi que des phénomènes comme le couplage, le découplage et la désynchronisation. Il permet aussi de tester les algorithmes de commande et les régulateurs : tension, répartition de puissance..... Le deuxième de type expérimental, valide les approches de modélisation, de simulation et de commande proposées.

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Un nœud est un plongement du cercle dans une variété de dimension 3. Dans la sphère S3 , les nœuds peuvent être codés combinatoirement par des diagrammes de Gauss. Ceux-ci peuvent être étudiés indépendamment, en oubliant les véritables nœuds: c'est ce qu'on appelle la théorie des nœuds virtuels. En première partie nous définissons une version générale de nœuds virtuels, dépendant d'un groupe G muni d'un morphisme à valeurs dans Z/2. Lorsque ces paramètres sont bien choisis, la théorie obtenue généralise les nœuds dans une surface épaissie quelconque (c'est-à-dire un fibré en droites réelles sur une surface). Outre l'encodage des nœuds, les diagrammes de Gauss sont aussi un outil puissant pour décrire les invariants de type fini de Vassiliev. En seconde partie, nous donnons un ensemble complet de critères pour détecter ces invariants. Notamment, le critère d'invariance sous Reidemeister III est une réponse positive à une conjecture de M.Polyak. Parmi les exemples donnés figure une nouvelle preuve et une généralisation du théorème de Grishanov-Vassiliev sur les invariants par chaînes planaires. La troisième partie est une ébauche de plan visant à trouver un algorithme pour décider si un diagramme donné dans l'anneau R × S1 représente une tresse fermée dans le tore solide, à isotopie près. La première étape est franchie, consistant à trouver un critère reconnaissant les diagrammes de Gauss des tresses fermées. Nous conjecturons que ce critère suffit pour les diagrammes à nombre minimal de croisements, et proposons des pistes dans cet objectif. La dernière partie est un travail commun avec T.Fiedler, explorant les propriétés d'objets non génériques liés à l'espace de toutes les immersions du cercle dans R3 . Cet espace est de dimension infinie, stratifié par le degré de non généricité des immersions. Alors que la théorie de Vassiliev se cantonne à l'étude des strates contenant uniquement des points doubles ordinaires, ici nous interdisons ces points doubles et autorisons uniquement un certain type de points triples. Nous montrons que l'espace qui en résulte n'est pas simplement connexe en exhibant un 1-cocycle non trivial. Une pondération de ce 1-cocycle fournit une nouvelle formule pour l'invariant de Casson des nœuds.

L'analyse d'images est devenue ces dernières années une discipline de plus en plus riche de l'informatique. La topologie discrète propose un panel d'outils incontournables dans le traitement d'images, notamment grâce à l'outil du squelette, qui permet de simplifier des objets tout en conservant certaines informations intactes. Cette thèse étudie comment certains outils de la topologie discrète, notamment les squelettes, peuvent être utilisés pour le traitement d'images de matériaux.Le squelette d'un objet peut être vu comme une simplification d'un objet, possédant certaines caractéristiques identiques à celles de l'objet original. Il est alors possible d'étudier un squelette et de généraliser certains résultats à l'objet entier. Dans une première partie, nous proposons une nouvelle méthode pour conserver, dans un squelette, certaines caractéristiques géométriques de l'objet original (méthode nécessitant un paramètre de filtrage de la part de l'utilisateur) et obtenir ainsi un squelette possédant la même apparence que l'objet original. La seconde partie propose de ne plus travailler avec des objets constitués de voxels, mais avec des objets constitués de complexes cubiques. Dans ce nouveau cadre, nous proposons de nouveaux algorithmes de squelettisation, dont certains permettent de conserver certaines caractéristiques géométriques de l'objet de départ dans le squelette, de façon automatique (aucun paramètre de filtrage ne doit être donné par l'utilisateur). Nous montrerons ensuite comment un squelette, dans le cadre des complexes cubiques, peut être décomposé en différentes parties. Enfin, nous montrerons nos résultats sur différentes applications, allant de l'étude des matériaux à l'imagerie médicale / These last years, the domain of image analysis has drastically evolved. Digital topology offer a set of tools adapted to image analysis, especially the skeletonization process (also called homotopic thinning) which can simplify input data while keeping specific information untouched. In this thesis, we focus on how digital topology, especially skeletons, can help material image analysis.The goal of a skeletonization process is to remove unnecessary information from an input, and provide a simplified object, called the skeleton, having the same characteristics than the original data. It is then possible to perform some computations on the skeleton and generalise their results to the original data. In the first part of this thesis, we propose some new tools for preserving, during skeletonization, important geometrical features of the original data, and obtain a skeleton with the same visual appearance than the input.In the second part, we present the cubical complex framework, where objects are no more made only of voxels. We propose in this framework new skeletonization algorithms, some of them preserving automatically the visual aspect of the input during the thinning process (no filtering parameter from the user is required). We then show how a skeleton, in the cubical complexes framework, can be decomposed into basic parts, and we show some applications of these algorithms to material image analysis and medical image analysis