Activités de recherche
Les activités de recherche du LPTM portent sur la physique théorique, physique statistique et physique numérique, et concernent principalement l'étude de problèmes de matière condensée, de phénomènes hors équilibre et de modèles intégrables.
Les sujets de recherche peuvent être classés en trois thèmes génériques. Les équipes de recherche du laboratoire se sont constituées autour de ces trois thèmes qui recouvrent les thématiques théoriques de la section 29 du CNU :
- Thème A : Matière condensée, phénomènes quantiques
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Membres permanents :
A. De Luca (CR) (50% sur ce thème), J. De Nardis (CPJ CNRS) (50% sur ce thème), H. T. Diep (PREM) (50% sur ce thème), A. Honecker (PR), D. Kovrizhin (PR) (50% sur ce thème), Ph. Lecheminant (PR), A. Matzkin (DR), D. Papoular (CR), G. Trambly de Laissardière (MCF).Ce thème regroupe les projets axés sur la matière condensée et des phénomènes quantiques utilisant des méthodes de la physique théorique, de la physique statistique, des calculs et simulations numériques.
En matière condensée, nous étudions des systèmes sous différentes formes et dans diverses conditions : systèmes à basse dimension, systèmes nanométriques (films, membranes), graphène, atomes froids, phases topologiques, intrication, transport et diffusion. Ces études sont motivées par des problématiques de pointe et par des applications potentielles dans l’industrie.
En phénomènes quantiques, nous étudions les aspects fondamentaux de la théorie quantique et la physique semi-classique.
Sous-thèmes :
Fortes corrélations et atomes froids
Graphène
Transport quantique électronique
Nanophysique et magnétisme
Phases topologiques
Intrication
Aspects fondamentaux de la théorie quantique, physique semi-classique
Systèmes quantiques hors équilibre
Liquides de spin - Thème B/C : Intégrabilité, dynamique, stochasticité
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Membres permanents :
J. Avan (DR), L. Cantini (MCF), A. De Luca (CR) (50% sur ce thème), J. De Nardis (CPJ CNRS) (50% sur ce thème), F. Dunlop (PREM), T. Huillet (CR), F. Koukiou (PR), D. Kovrizhin (PR) (50% sur ce thème), C. Oguey (MCF), G. Rollet (MCF), T.T. Truong (PREM).
La thématique B/C, au confluent de la physique et des mathématiques, regroupe des activités de recherche visant à étudier et à résoudre , par des méthodes mathématiquement rigoureuses (algébriques, géométriques, analytiques, probabilistes), des systèmes ou des modèles issus initialement de la physique mais qui peuvent aussi relever de la biologie, de l’informatique ou de l’économie (en lien avec le Label MME-DII).
Ces systèmes ou modèles (et quelques méthodes d'étude citées entre parenthèse) incluent :- - les systèmes intégrables classiques et quantiques, déterministes ou stochastiques (structures mathématiques algébriques et analytiques telles que: algèbres de Hopf, groupes quantiques, déformations algébriques, Ansatz de Bethe, problème inverse ),
- - les objets algébriques ou géométriques aléatoires telles que surfaces, partitions aléatoires, graphes aléatoires, la mécanique statistique (probabilités et statistique),
- - la thermodynamique quantique hors équilibre (méthodes intégrables, analytiques...)
- - certains problèmes hydrodynamiques classiques: phénomènes de mouillage et de formation de gouttes; quantiques: l'hydrodynamique généralisée, (méthodes analytiques, stochastiques, intégrables, probabilités)
Les méthodes développées et les modèles introduits ci-dessus trouvent aussi des applications en
- - problèmes d’imagerie et de traitement du signal,
- - dynamique des populations et la génétique,
- - théorie de l’information,
- - problèmes de comportement collectif d’agents en interaction, en économie.
- Thème D : Physique des systèmes complexes
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Membres permanents :
H.T. Diep (PREM) (50% sur ce thème), L. Hernandez (MCF), J.P. Kownacki (MCF), A.Maitra (CR), Ch. Oguey (MCF) (50% sur ce thème), F. Peruani (PR), C. Pinettes (MCF), A. Torcini (PR).Le thème D regroupe les activités de physique théorique portant sur la matière molle vivante, les systèmes complexes et les neurosciences.
Notre approche de la matière molle est basée sur la physique statistique et la géométrie. Les systèmes étudiés vont des mousses aux macromolécules biologiques en passant par les membranes, des cristaux liquides, des modèles de polymères sur réseau.
Nous nous intéressons à la complexité en physique, mais aussi à celle observée dans d'autres champs disciplinaires, comme les écosystèmes mutualistes ou les systèmes sociaux.
Cette problématique, nettement interdisciplinaire, est inscrite au Labex MMI-DDE.Sous-thèmes :
Physique statistique des systèmes de membranes
Physique des mousses, mésophases et cristaux liquides
Modèles de polymères sur réseau
Macromolécules biologiques : ADN et protéines
Transitions de phases en systèmes désordonnées
Écosystèmes mutualistes, et applications à la complexité économique
Réseaux complexes co-évolutifs, modélisation multi-agents
Systèmes sociaux : dynamique culturelle et formation d'opinion
Neurosciences : synchronisation et réseaux de neurones
Matière active
- Contrat ERC HEPIQ
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Jacopo de Nardis a remporté une bourse ERC Starting Grant avec le projet intitulé "Hydrodynamics and entropy production in lowdimensional quantum systems" HEPIQ.
Les ERC (European Research Council) Starting Grants, créées en 2007, récompensent des chercheurs talentueux de toutes nationalités ayant 2 à 7 ans d'expérience depuis la fin de leur doctorat. Ces subventions font partie du programme-cadre de l'UE pour la recherche et l'innovation.
En janvier 2022, Jacopo de Nardis, chercheur au Laboratoire de Physique Théorique et Modélisation (LPTM) de CY Cergy Paris Université, s'est vu décerner une ERC Starting Grant aux côtés de 396 autres chercheurs en début de carrière.
Résumé :In the past years, quantum non-equilibrium emerged as a new principal research arena, promising to assist the current development of new quantum technologies and to shine a new light on disparate fields of theoretical and experimental physics, from black holes to condensed matter and statistical physics. As quantum dynamics represents a major challenge for modern computational methods, relevant developments have come from devising new generalised and extended forms of classical hydrodynamic theory to effectively describe its macroscopic features. This effort is nowadays constituting an essential part of contemporary theoretical physics, contributing to a deeper understanding of dynamical phenomena and providing new directions in different experimental areas. This proposal focuses on the interplay between classical non-linear dynamics and quantum evolution, promising to a) unveil a new deep comprehension of how the non-equilibrium dynamics in many-body quantum systems can dissipate or either recover quantum information and how effective non-linear classical behaviour emerges, b) release new efficient theoretical tools to access quantum many-body quantum systems which are strongly interacting and in non-equilibrium settings beyond linear response, far away from known regimes of low-energy, low-temperatures or weak interactions. The outcomes will provide new reliable and much needed theoretical methods as well as a new dictionary to catalogue and relate different non-equilibrium phenomena in quantum and classical physics and deepen our understanding of out-of-equilibrium matter.
Interview of Jacopo DE NARDIS among the 2021 ERC Starting Grant winners - Contrat ANR Ermundy
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Le projet "Réduction exacte de la dynamique neuronale multi-échelle – ERMUNDY" porté par Alessandro Torcini, Prof au LPTM, a été lauréat de l'appel à projet ANR 2018 pour CE37 - Neurosciences intégratives (ANR-18-CE37-0014).
Résumé :Cette initiative a pour objectif d'étendre aux circuits neuronaux multi-échelles un nouveau formalisme mathématique, la Méthodologie Réduite Exacte, capable de reproduire exactement la dynamique collective des grands réseaux de neurones à pointes, tout en tenant compte des propriétés des neurones et circuits constitutifs. Nous nous concentrerons notamment sur les modèles cohérents observés, omniprésents pour les oscillations cérébrales multifréquences. Cela inclut la dynamique couplée aux fréquences croisées, qui ont été liées à la fonction cognitive.
Examinés ensemble, le nouveau cadre théorique, le nouveau paradigme et le lien avec les données électrophysiologiques et d'imagerie du cerveau humain permettront d'examiner les hypothèses centrales sur la façon dont la coordination interrégionale flexible est façonnée par la dynamique des réseaux cérébraux à grande échelle. Puisque la cohérence oscillatoire interrégionale est perturbée dans une variété de maladies psychiatriques et neurologiques, notre recherche permettra le développement d'outils diagnostiques; avec la perspective de protocoles de stimulation pour la "réparation" de connexions fonctionnelles altérées.
Page ANR du projet ERMUNDY...
Consortium :
LPTM -- CY Cergy Paris Université : (Porteur) Alessandro Torcini
École normale supérieure -- Département d'études cognitives (Paris): (Responsable local) Boris Gutkin
Institut de Neurosciences des Systèmes -- Aix-Marseille Université : (Responsable local) Demian Battaglia
Publications:Macroscopic phase-resetting curves for spiking neural networks, G. Dumont, GB. Ermentrout, B. Gutkin, Physical Review E 96 (4), 042311 (2017). Transition from asynchronous to oscillatory dynamics in balanced spiking networks with instantaneous synapses, M. di Volo, A. Torcini, Phys. Rev. Lett. 121 , 128301 (2018). Macroscopic phase resetting-curves determine oscillatory coherence and signal transfer in inter-coupled neural circuits, G. Dumont, B. Gutkin, PLoS computational biology 15 (5), e1007019 (2019). Coexistence of fast and slow gamma oscillations in one population of inhibitory spiking neurons, H. Bi, M. Segneri, M. di Volo, A.Torcini, Physical Review Research 2, 013042 (2020). Cross frequency coupling in next generation inhibitory neural mass models, A. Ceni, S. Olmi, A. Torcini, D. Angulo Garcia, Chaos 30, 053121 (2020). Quantitative and qualitative analysis of asynchronous neural activity, E. Ullner, A. Politi, A. Torcini, , Physical Review Research 2, 023103 (2020). Theta-nested gamma oscillations in next generation neural mass models, M. Segneri, H.Bi, S. Olmi, A.Torcini, Frontiers in Computational Neuroscience 14, 47 (2020). Exact neural mass model for synaptic-based working memory, H. Taher, A. Torcini, S. Olmi, PLOS Computational Biology 16(12), e1008533 (2020). A reduction methodology for fluctuation driven population dynamics, D. Goldobin, M di Volo, A. Torcini, submitted to Physical Review Letters (2020) (Arxiv:2101.11679).
- Contrat ANR JCJC TamEnt
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Le projet "Maîtriser l'intrication dans la matière quantique hors d'équilibre - TamEnt" porté par Andrea De Luca, chargé de recherche CNRS au LPTM, a été lauréat de l'appel à projet ANR 2021 pour CE47 - Technologies Quantiques (ANR-21-CE47-0003).
Résumé :L'intrication est la caractéristique distinctive et la plus contre-intuitive de la mécanique quantique. Récemment, elle a été utilisé pour caractériser les phases de la matière et des transitions. De plus, l'intrication représente la principale limitation de la simulation de la matière quantique sur des ordinateurs ordinaires. Dans ce projet, nous étudions les mécanismes de production d'intrication dans des systèmes quantiques hors d'équilibre. Nous considérons en particulier les différentes structures microscopiques que peut prendre l’intrication, qui sont associées aux aspects fondamentaux de la dynamique: chaotique ou intégrable. Nous développons de nouvelles méthodes numériques qui permettent de simuler des systèmes où l’intrication est porté par des quasi-particules stables. Cela donne la possibilité d'aborder le crossover vers le chaos et le rôle du désordre. Nous analysons également le rôle de la mesure et feedback en tant qu'outils de contrôle externe de l'évolution quantique.
Consulter la page ANR du projet TamEnt...
Un contrat postdoctoral de 2 ans est proposé : consulter l'offre... - Contrat ANR FlatMoi
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Le projet "Influence de la structure cristallographique sur les bandes plates de Moiré - FlatMoi" porté par Guy Trambly de Laissardière, Maitre de conférence CYU au LPTM, a été lauréat de l'appel à projet ANR 2021 pour CE30 - Physique de la matière condensée et de la matière diluée (ANR-21-21-CE30-0029).
Résumé :Le lien structure propriété est une thématique fondamentale en matière condensée. Dans les matériaux 2D ce lien prend un aspect exceptionnel puisqu’une structure aussi simple qu’un biplan tourné peut être associée à une structure électronique remarquable avec des bandes plates, des corrélations électroniques fortes et de la supraconductivité. Ces propriétés mis en évidence en 2018 sur des biplans de graphène tournés, ayant un angle de rotation, "magique", proche de 1,1° ont renforcé l’intérêt pour ces matériaux. Malgré de nombreuses études théoriques et expérimentales, la compréhension de cette localisation électronique manque toujours. C’est l’objectif du projet FlatMoi qui pour y parvenir associe des spécialistes des systèmes 2D et de cristallographie. - Contrat ANR AUTOMATE
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Le projet « AUTOMATE » ayant pour objet : « Méthodes numériques avancées pour la matière quantique intriquée » a été sélectionné par l’ANR dans le cadre de l’appel à projets intitulé « CE30 » porté par Andreas Honecker au LPTM (ANR-22-CE30-0042-02)
Résumé :We are now all used in everyday life to take advantage of technologies based on quantum mechanics, such as semiconductors in smartphones, lasers for optical communications, or magnetic resonance imaging for medical applications. Currently a new generation of quantum physics-fueled technologies with extremely promising repercussions for society has emerged, including next-generation computing chips that will allow improved AI technology, high-temperature superconductors for lossless energy transmission and high-speed magnetic levitation trains and frustrated magnets or cold-atomic platforms to perform quantum computations. However, building such new quantum technologies requires a precise modeling of quantum materials to control the intriguing quantum entanglement therein. The description of these complex systems suffers from an exponential computational complexity (with the number of quantum particles), that is of the same order as their quantum advantage. Our project aims at modeling the strong interactions between electrons in quantum materials and compute their entanglement content in different phases as well as near phase transitions tuned by temperature, pressure or magnetic field. Our methodological developments in this project are meant to solve these problems and will be of interest to many, ranging from the field theoretical, computational and experimental communities working on quantum entangled materials. Our deliverables are novel algorithms, open-source codes and consequently new physical insights with the hope to revolutionize the existing computational techniques for simulations of highly entangled quantum matter.
- Contrat ANR DQMT
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Le projet "DQMT" est porté par Dmitry Kovrizhin, LPTM CYU
Résumé :Advances in material physics and recent progress in experimental techniques has offered access to novel quantum states of matter together with an unprecedented precision and control in preparation and manipulation of these states. Some of the most exciting examples of these are strongly-correlated topological states of matter, such as quantum spin-liquids and quantum Hall states. These systems raise intriguing theoretical questions and hold the promise of realising new generations of quantum devices, for example from quantum memories or quantum sensors to universal quantum computers. One of the central topics in modern theoretical physics is the far
from equilibrium behaviour of interacting many-body systems, which is both of fundamental interest as well as relevant for abovementioned device applications. Non-equilibrium behaviour can be studied, for example, in transport experiments, where one measures the charge current as a function of applied voltage, or the energy current across the sample in the presence of a temperature gradient. Many interesting and surprising observation have been made recently in experiments with quantum Hall edge states, and more recently with quantum-spin liquid candidate materials (most notably RuCl3) [P1]. In the former setting this allowed, for example, to study the relaxation of non-equilibrium electron distributions due to electron interactions. In these experiments, one can measure electron relaxation by measuring charge currents.
However, in topological quantum systems where effective degrees of freedom are chargeless, such as neutral modes expected in certain quantum Hall edge states or Majorana fermions in quantum spin liquids, it is difficult to measure these modes directly with electrical probes. Developing tools for the detection and manipulation of these states is important from a fundamental theoretical perspective as well as for potential applications in quantum computations.
In this project, we will study theoretically quantum dynamics and transport phenomena in quantum spin-liquids and quantum Hall systems. Going beyond established results, we will focus on the non-equilibrium behaviour. This work will provide a better understanding of experiments with topological states of matter. Our objective is to extend universal phenomenology of quantum transport and develop new methods for non-equilibrium and thermal transport physics in strongly-correlated topological quantum systems. - Contrat ANR PushPull
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Le projet "PushPull" ayant pour objet : "Micronageurs dans des environnements complexes" a été sélectionné par l'ANR dans le cadre de l'appel à projet intitulé "CE30"
Porteur : Eric CLEMENT PMMH-ESPCI; co-porteurs : F.Elias ESPCI-U PARIS CITE, Fernando PERUANI LPTM CYU, K.Clément SU-APHP
Résumé :La plupart des micro-organismes ont développé la capacité d’explorer leur environnement dans le but de trouver leur niche écologique et/ou de participer à des relations symbiotiques avec d'autres espèces vivantes. Les fluides biologiques ou les environnements naturels présentent souvent des rhéologies non-newtoniennes affectant considérablement les processus de transport émergents. L'objectif ici est d'étudier les propriétés d'exploration et de transport de micro-organismes présentant deux stratégies hydrodynamiques de nage différentes, i.e. de type « pousseur » ou bien de type « tireur » dans des fluides complexes ainsi que dans des géométries de confinement contrôlées par design. Les propriétés de nage ainsi que les caractéristiques d'exploration spatiale seront quantifiées sur la base de modélisations hydrodynamiques et statistiques. Dans un deuxième temps, nous tenterons de définir un environnement commun où les bactéries et les algues peuvent coexister. Nous étudierons ensuite les propriétés d'auto-organisation du mélange, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives d’étude en physique statistique de la matière active. Par la suite, ces études fondamentales seront liées plus spécifiquement à deux applications médicales et environnementales (i) la pénétration du mucus intestinal et (ii) les conséquences écologiques de l'efflorescence des mousses marines sur le littoral. En collaboration avec une équipe de recherche médicale, nous étudierons la pénétration du mucus intestinal à l'aide de modèles in vitro obtenus soit à partir de mucine purifiée, soit à partir d'extraits de mucus porcin natif, altérés par dilution ou par attaque chimique. D'autre part, en collaboration avec des biologistes marins, nous étudierons les mécanismes conduisant au piégeage du phytoplancton dans les mousses marines en s'appuyant sur des expériences de laboratoire dans lesquelles les caractéristiques structurelles de la mousse et les espèces de phytoplancton seront contrôlées.