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

Membres permanents :
A. De Luca (CR) (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

Membres permanents :
J. Avan (DR), L. Cantini (MCF), A. De Luca (CR) (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 : Matière molle, systèmes complexes, neurosciences, matière active

Membres permanents :
H.T. Diep (PREM) (50% sur ce thème), L. Hernandez (MCF), J.P. Kownacki (MCF) , 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

Dans le cadre de ses activités de recherche, le LPTM est porteur de deux projets ANR :
 
Contrat ANR OpLaDyn

Le projet "Understanding opinion and language dynamics using massive data" (OpLaDyn), porté par Laura Hernández, MCF au LPTM, a été lauréat du 4ème round de l'appel à projet de la Trans-Atlantic Platform (TAP) for the Social Sciences and Humanities.

Page officielle du projet OpLaDyn
 

La Trans-Atlantic Platform (TAP) réunit 16 structures de financement de la recherche issues de 11 pays, dont l'ANR pour la France. Doté d’un budget global de 8,6 M€, l' appel à projet « Digging into Data Challenge », a choisi, à l’issue d’un processus d’évaluation réalisé par l'ensemble des organisations de financement participantes, 14 projets (dont cinq incluant des équipes françaises), qui seront financés pendant une durée de 2 ou 3 ans.
https://diggingintodata.org/

Cette initiative a pour objectif de soutenir des travaux de recherche internationaux et multi-disciplinaires, mettant à profit les moyens de calcul à grande échelle accompagnés des modélisations mathématiques,  pour répondre à des questions de recherche en sciences humaines et sociales.
Traitant de questions variées allant de la musicologie, l’économie, la linguistique, aux sciences politique ou encore à l’histoire, avec des méthodes issues des sciences dures, ce projet vise a établir un pont non seulement transatlantique, mais aussi entre disciplines très diverses.
Consortium :
France : (Coordinateur général et responsable local) Laura Hernández (Université de Cergy-Pontoise).
Argentine :  (Responsable local) José Ignacio Alvarez Hamelin (Universidad de Buenos Aires)
Brésil : (Responsable local) Maria Eunice Quilici Gonzalez (Universidade Estadual Paulista)

Funders: Argentina (MINCyT); Brazil (FAPESP); France (ANR).

Offre de stage M2
Contrat ANR Ermundy
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).
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 officielle du projet ERMUNDY...

Consortium : 
LPTM -- Université de Cergy-Pontoise : (Porteur) Alessandro Torcini (https://perso.u-cergy.fr/~atorcini/)

École normale supérieure -- Département d'études cognitives (Paris): (Responsable local) Boris Gutkin (https://lnc2.dec.ens.fr/en/member/636/boris-gutkin)

Institut de Neurosciences des Systèmes -- Aix-Marseille Université : (Responsable local) Demian Battaglia (https://ins-amu.fr/staff-gallery/battaglia-d)

 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).