La structure de Jordan des matrices de transfert des modèles de boucles et la relation avec les hamiltoniens XXZ

Les modèles sur réseau comme ceux de la percolation, d’Ising et de Potts servent à décrire les transitions de phase en deux dimensions. La recherche de leur solution analytique passe par le calcul de la fonction de partition et la diagonalisation de matrices de transfert. Au point critique, ces modèles statistiques bidimensionnels sont invariants sous les transformations conformes et la construction de théories des champs conformes rationnelles, limites continues des modèles statistiques, permet un calcul de la fonction de partition au point critique. Plusieurs chercheurs pensent cependant que le paradigme des théories des champs conformes rationnelles peut être élargi pour inclure les modèles statistiques avec des matrices de transfert non diagonalisables. Ces modèles seraient alors décrits, dans la limite d’échelle, par des théories des champs logarithmiques et les représentations de l’algèbre de Virasoro intervenant dans la description des observables physiques seraient indécomposables. La matrice de transfert de boucles D_N(λ, u), un élément de l’algèbre de Temperley- Lieb, se manifeste dans les théories physiques à l’aide des représentations de connectivités ρ (link modules). L’espace vectoriel sur lequel agit cette représentation se décompose en secteurs étiquetés par un paramètre physique, le nombre d de défauts. L’action de cette représentation ne peut que diminuer ce nombre ou le laisser constant. La thèse est consacrée à l’identification de la structure de Jordan de D_N(λ, u) dans ces représentations. Le paramètre β = 2 cos λ = −(q + 1/q) fixe la théorie : β = 1 pour la percolation et √2 pour le modèle d’Ising, par exemple. Sur la géométrie du ruban, nous montrons que D_N(λ, u) possède les mêmes blocs de Jordan que F_N, son plus haut coefficient de Fourier. Nous étudions la non diagonalisabilité de F_N à l’aide des divergences de certaines composantes de ses vecteurs propres, qui apparaissent aux valeurs critiques de λ. Nous prouvons dans ρ(D_N(λ, u)) l’existence de cellules de Jordan intersectorielles, de rang 2 et couplant des secteurs d, d′ lorsque certaines contraintes sur λ, d, d′ et N sont satisfaites. Pour le modèle de polymères denses critique (β = 0) sur le ruban, les valeurs propres de ρ(D_N(λ, u)) étaient connues, mais les dégénérescences conjecturées. En construisant un isomorphisme entre les modules de connectivités et un sous-espace des modules de spins du modèle XXZ en q = i, nous prouvons cette conjecture. Nous montrons aussi que la restriction de l’hamiltonien de boucles à un secteur donné est diagonalisable et trouvons la forme de Jordan exacte de l’hamiltonien XX, non triviale pour N pair seulement. Enfin nous étudions la structure de Jordan de la matrice de transfert T_N(λ, ν) pour des conditions aux frontières périodiques. La matrice T_N(λ, ν) a des blocs de Jordan intrasectoriels et intersectoriels lorsque λ = πa/b, et a, b ∈ Z×. L’approche par F_N admet une généralisation qui permet de diagnostiquer des cellules intersectorielles dont le rang excède 2 dans certains cas et peut croître indéfiniment avec N. Pour les blocs de Jordan intrasectoriels, nous montrons que les représentations de connectivités sur le cylindre et celles du modèle XXZ sont isomorphes sauf pour certaines valeurs précises de q et du paramètre de torsion v. En utilisant le comportement de la transformation i_N^d dans un voisinage des valeurs critiques (q_c, v_c), nous construisons explicitement des vecteurs généralisés de Jordan de rang 2 et discutons l’existence de blocs de Jordan intrasectoriels de plus haut rang.

Exposants géométriques des modèles de boucles dilués et idempotents des TL-modules de la chaîne de spins XXZ

Cette thèse porte sur les phénomènes critiques survenant dans les modèles bidimensionnels sur réseau. Les résultats sont l'objet de deux articles : le premier porte sur la mesure d'exposants critiques décrivant des objets géométriques du réseau et, le second, sur la construction d'idempotents projetant sur des modules indécomposables de l'algèbre de Temperley-Lieb pour la chaîne de spins XXZ. Le premier article présente des expériences numériques Monte Carlo effectuées pour une famille de modèles de boucles en phase diluée. Baptisés "dilute loop models (DLM)", ceux-ci sont inspirés du modèle O(n) introduit par Nienhuis (1990). La famille est étiquetée par les entiers relativement premiers p et p' ainsi que par un paramètre d'anisotropie. Dans la limite thermodynamique, il est pressenti que le modèle DLM(p,p') soit décrit par une théorie logarithmique des champs conformes de charge centrale c(\kappa)=13-6(\kappa+1/\kappa), où \kappa=p/p' est lié à la fugacité du gaz de boucles \beta=-2\cos\pi/\kappa, pour toute valeur du paramètre d'anisotropie. Les mesures portent sur les exposants critiques représentant la loi d'échelle des objets géométriques suivants : l'interface, le périmètre externe et les liens rouges. L'algorithme Metropolis-Hastings employé, pour lequel nous avons introduit de nombreuses améliorations spécifiques aux modèles dilués, est détaillé. Un traitement statistique rigoureux des données permet des extrapolations coïncidant avec les prédictions théoriques à trois ou quatre chiffres significatifs, malgré des courbes d'extrapolation aux pentes abruptes. Le deuxième article porte sur la décomposition de l'espace de Hilbert \otimes^nC^2 sur lequel la chaîne XXZ de n spins 1/2 agit. La version étudiée ici (Pasquier et Saleur (1990)) est décrite par un hamiltonien H_{XXZ}(q) dépendant d'un paramètre q\in C^\times et s'exprimant comme une somme d'éléments de l'algèbre de Temperley-Lieb TL_n(q). Comme pour les modèles dilués, le spectre de la limite continue de H_{XXZ}(q) semble relié aux théories des champs conformes, le paramètre q déterminant la charge centrale. Les idempotents primitifs de End_{TL_n}\otimes^nC^2 sont obtenus, pour tout q, en termes d'éléments de l'algèbre quantique U_qsl_2 (ou d'une extension) par la dualité de Schur-Weyl quantique. Ces idempotents permettent de construire explicitement les TL_n-modules indécomposables de \otimes^nC^2. Ceux-ci sont tous irréductibles, sauf si q est une racine de l'unité. Cette exception est traitée séparément du cas où q est générique. Les problèmes résolus par ces articles nécessitent une grande variété de résultats et d'outils. Pour cette raison, la thèse comporte plusieurs chapitres préparatoires. Sa structure est la suivante. Le premier chapitre introduit certains concepts communs aux deux articles, notamment une description des phénomènes critiques et de la théorie des champs conformes. Le deuxième chapitre aborde brièvement la question des champs logarithmiques, l'évolution de Schramm-Loewner ainsi que l'algorithme de Metropolis-Hastings. Ces sujets sont nécessaires à la lecture de l'article "Geometric Exponents of Dilute Loop Models" au chapitre 3. Le quatrième chapitre présente les outils algébriques utilisés dans le deuxième article, "The idempotents of the TL_n-module \otimes^nC^2 in terms of elements of U_qsl_2", constituant le chapitre 5. La thèse conclut par un résumé des résultats importants et la proposition d'avenues de recherche qui en découlent.

Quantum solitons in the XXZ model with staggered external magnetic field

The 1-D 1/2-spin XXZ model with staggered external magnetic field, when restricting to low field, can be mapped into the quantum sine-Gordon model through bosonization: this assures the presence of soliton, antisoliton and breather excitations in it. In particular, the action of the staggered field opens a gap so that these physical objects are stable against energetic fluctuations. In the present work, this model is studied both analytically and numerically. On the one hand, analytical calculations are made to solve exactly the model through Bethe ansatz: the solution for the XX + h staggered model is found first by means of Jordan-Wigner transformation and then through Bethe ansatz; after this stage, efforts are made to extend the latter approach to the XXZ + h staggered model (without finding its exact solution). On the other hand, the energies of the elementary soliton excitations are pinpointed through static DMRG (Density Matrix Renormalization Group) for different values of the parameters in the hamiltonian. Breathers are found to be in the antiferromagnetic region only, while solitons and antisolitons are present both in the ferromagnetic and antiferromagnetic region. Their single-site z-magnetization expectation values are also computed to see how they appear in real space, and time-dependent DMRG is employed to realize quenches on the hamiltonian parameters to monitor their time-evolution. The results obtained reveal the quantum nature of these objects and provide some information about their features. Further studies and a better understanding of their properties could bring to the realization of a two-level state through a soliton-antisoliton pair, in order to implement a qubit.

Low rank Runge-Kutta methods, symplecticity and stochastic Hamiltonian problems with additive noise

In this paper we extend the ideas of Brugnano, Iavernaro and Trigiante in their development of HBVM($s,r$) methods to construct symplectic Runge-Kutta methods for all values of $s$ and $r$ with $s\geq r$. However, these methods do not see the dramatic performance improvement that HBVMs can attain. Nevertheless, in the case of additive stochastic Hamiltonian problems an extension of these ideas, which requires the simulation of an independent Wiener process at each stage of a Runge-Kutta method, leads to methods that have very favourable properties. These ideas are illustrated by some simple numerical tests for the modified midpoint rule.

Structure-preserving Runge-Kutta methods for stochastic Hamiltonian equations with additive noise

There has been considerable recent work on the development of energy conserving one-step methods that are not symplectic. Here we extend these ideas to stochastic Hamiltonian problems with additive noise and show that there are classes of Runge-Kutta methods that are very effective in preserving the expectation of the Hamiltonian, but care has to be taken in how the Wiener increments are sampled at each timestep. Some numerical simulations illustrate the performance of these methods.

Port-Hamiltonian control of fully actuated underwater vehicles

This chapter presents a novel control strategy for trajectory tracking of underwater marine vehicles that are designed using port-Hamiltonian theory. A model for neutrally buoyant underwater vehicles is formulated as a PHS, and then the tracking controller is designed for the horizontal plane-surge, sway and yaw. The control design is done by formulating the error dynamics as a set-point regulation port-Hamiltonian control problem. The control design is formulated in two steps. In the first step, a static-feedback tracking controller is designed, and the second step integral action is added. The global asymptotic stability of the closed loop system is proved and the performance of the controller is illustrated using a model of an open-frame offshore underwater vehicle.

Dynamic positioning of marine craft using a port-Hamiltonian framework

Dynamic positioning of marine craft refers to the use of the propulsion system to regulate the vessel position and heading. This type of motion control is commonly used in the offshore industry for surface vessels, and it is also used for some underwater vehicles. In this paper, we use a port-Hamiltonian framework to design a novel nonlinear set-point-regulation controller with integral action. The controller handles input saturation and guarantees internal stability, rejection of unknown constant disturbances, and (integral-)input-to-state stability.

Control of an underactuated-slender-hull unmanned underwater vehicle using Port-Hamiltonian theory

This paper presents a control design for tracking of attitude and speed of an underactuated slender-hull unmanned underwater vehicle (UUV). The control design is based on Port-Hamiltonian theory. The target dynamics (desired dynamic response) is shaped with particular attention to the target mass matrix so that the influence of the unactuated dynamics on the controlled system is suppressed. This results in achievable dynamics independent of uncontrolled states. Throughout the design, insight of the physical phenomena involved is used to propose the desired target dynamics. The performance of the design is demonstrated through simulation with a high-fidelity model.

Total energy shaping of a class of underactuated Port-Hamiltonian Systems using a new set of closed-loop potential shape variables

This paper proposes a method for designing set-point regulation controllers for a class of underactuated mechanical systems in Port-Hamiltonian System (PHS) form. A new set of potential shape variables in closed loop is proposed, which can replace the set of open loop shape variables-the configuration variables that appear in the kinetic energy. With this choice, the closed-loop potential energy contains free functions of the new variables. By expressing the regulation objective in terms of these new potential shape variables, the desired equilibrium can be assigned and there is freedom to reshape the potential energy to achieve performance whilst maintaining the PHS form in closed loop. This complements contemporary results in the literature, which preserve the open-loop shape variables. As a case study, we consider a robotic manipulator mounted on a flexible base and compensate for the motion of the base while positioning the end effector with respect to the ground reference. We compare the proposed control strategy with special cases that correspond to other energy shaping strategies previously proposed in the literature.

Manoeuvring control of underactuated surface vessels using manifold regulation for Port-Hamiltonian systems

This paper considers the manoeuvring of underactuated surface vessels. The control objective is to steer the vessel to reach a manifold which encloses a waypoint. A transformation of configuration variables and a potential field are used in a Port-Hamiltonian framework to design an energy-based controller. With the proposed controller, the geometric task associated with the manoeuvring problem depends on the desired potential energy (closed-loop) and the dynamic task depends on the total energy and damping. Therefore, guidance and motion control are addressed jointly, leading to model-energy-based trajectory generation.

Manoeuvring control of fully-actuated marine vehicles : a Port-Hamiltonian system approach to tracking

This paper presents a novel control strategy for trajectory tracking of marine vehicles manoeuvring at low speed. The model of the marine vehicle is formulated as a Port-Hamiltonian system, and the tracking controller is designed using energy shaping and damping assignment. The controller guarantees global asymptotic stability and includes integral action for output variables with relative degree greater than one.

Port-Hamiltonian theory of motion control for marine craft

Port-Hamiltonian Systems (PHS) have a particular form that incorporates explicitly a function of the total energy in the system (energy function) and also other functions that describe structure of the system in terms of energy distribution. For PHS, the product of the input and output variables gives the rate of energy change. This type of systems have the property that under certain conditions on the energy function, the system is passive; and thus, stable. Therefore, if one can design a controller such that the closed-loop system retains - or takes - a PHS form, such closed-loop system will inherit the properties of passivity and stability. In this paper, the classical model of marine craft is put into a PHS form. It is shown that models used for positioning control do not have a PHS form due to a kinematic transformation, but a control design can be done such that the closed-loop system takes a PHS form. It is further shown how integral action can be added and how the PHS-form can be exploited to provide a procedure for control design that ensures passivity and thus stability.

Tracking control of a class of Hamiltonian mechanical systems with disturbances

This paper presents a trajectory-tracking control strategy for a class of mechanical systems in Hamiltonian form. The class is characterised by a simplectic interconnection arising from the use of generalised coordinates and full actuation. The tracking error dynamic is modelled as a port-Hamiltonian Systems (PHS). The control action is designed to take the error dynamics into a desired closed-loop PHS characterised by a constant mass matrix and a potential energy with a minimum at the origin. A transformation of the momentum and a feedback control is exploited to obtain a constant generalised mass matrix in closed loop. The stability of the close-loop system is shown using the close-loop Hamiltonian as a Lyapunov function. The paper also considers the addition of integral action to design a robust controller that ensures tracking in spite of disturbances. As a case study, the proposed control design methodology is applied to a fully actuated robotic manipulator.

Constraints in relativistic Hamiltonian mechanics

We propose a new scheme for the use of constraints in setting up classical, Hamiltonian, relativistic, interacting particle theories. We show that it possesses both Poincaré invariance and invariance of world lines. We discuss the transition to the physical phase space and the nonrelativistic limit.

Separability in relativistic Hamiltonian particle dynamics

The problem of separability in recent models of classical relativistic interacting particles is examined. This physical requirement is shown to be more subtle than naive separability of all the constraints defining the system: it is adequate to be able to canonically transform the time-fixing constraints from an unseparated to a separated form when clusters emerge. Viewing separability in this way, and within a specific framework, we are led to a new no-interaction theorem which states the incompatibility of nontrivial interaction with relativistic invariance, separability, and invariant world lines for more than two particles.