26ème Congrès Général de la SFP
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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08:00
Accueil - Inscriptions - Café Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Cérémonies: Inauguration - Célébration des 150 ans de la SFP Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Mot d'accueilOrateur: Guy Wormser (LAL Orsay)
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Bienvenue à la Cité des Sciences et de l'IndustrieOrateur: M. Bruno Maquart (Universciences)
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OuvertureOrateur: Samuel Guibal
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CNRS INPOrateur: Thierry DAUXOIS (CNRS & ENS de Lyon)
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CNESOrateur: Olivier Lamarle
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Parrainage 150 and SFPOrateur: Serge Haroche
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La SFP et ses 150 ansOrateur: Daniel Rouan (LESIA - Observatoire de Paris)
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Le programme scientifique du Congrès GénéralOrateur: Jacqueline Bloch (Université Paris-Saclay, CNRS, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), 91120, Palaiseau, France)
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Le Congrès GénéralOrateurs: M. Marco CIRELLI (LPTHE, CNRS & Sorbonne U, Paris, France), Sarah Houver (Université de Paris)
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Conférences plénières: 1 Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Président de session: Thierry DAUXOIS (CNRS & ENS de Lyon)-
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Holographic control of brain signaling
The optogenetics revolution began with the discovery of microbial opsins and their sensitivity to light (1971-on) and continued with the demonstration of their utility and function in neuronal cells (2005-on). Light-induced conformational changes in opsins allow direct transduction of photonic energy into electrical currents, thereby activating or inhibiting neuronal signals in a non-invasive manner.
So far most of the optogenetics experiments have used relatively simple illumination methods, where visible light is delivered non- specifically to large brain regions and genetic targeting strategies are used to 'isolate' a specific cell type (and therefore a specific neural circuit) and measure the effects produced to be able to correlate them to the type of cells activated. This approach has enabled brain function to be mapped with unprecedented anatomical and cell type specificity and, to cite a few examples, to identify the neurons linked to memory and learning, as well as to identify the neurons governing behaviour parental or involved in addiction or depression.
However, wide-field illumination can only synchronously activate entire populations of neurons, thereby controlling them as a whole – a highly unnaturalistic state, given that neurons fire in very complex patterns and sequences as they compute. Indeed, if one examines the activity of a neuronal circuit under physiological conditions, this is characterized in most cases by the fact that even genetically identical cells can have completely independent patterns of activity: each cell in the circuit has its own spatiotemporal signature. Mimicking and manipulating neuronal activity with this degree of precision therefore requires the development of new optical methods capable of illuminating one or more cells independently in space and time.
We have solved this challenge by sculpting the illumination light with computer generated holography, temporal focusing and two-photon excitation and have shown that this combination of approaches that we termed circuits optogenetics enables to selectively activate specific neuronal ensembles with single cell resolution and sub millisecond temporal precision, an arguably key step towards the methodological foundation of computational neuroscience.
Here, we will review the most recent configurations that we developed for circuits optogenetics and we will show examples where we have used these approaches for the investigation of visual circuits in head restraint and freely moving mice.Orateur: Valentina Emiliani (Institut de la Vision) -
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Dévoiler la structure de la matière ultra-dense: synergie entre physique nucléaire et ondes gravitationnelles
La première détection d'ondes gravitationnelles provenant d'une fusion de binaire d'étoiles à neutrons binaires par la collaboration LIGO-Virgo, ainsi que d'une contrepartie électromagnétique, a brillamment inauguré l'ère de l'astronomie multi-messager. Cette nouvelle astronomie en très grand essor, aborde, entre autres, des questions fondamentales sur la nature de la gravité, de la matière noire, de l'origine des éléments plus lourds que le fer, des propriétés de la matière ultra-dense au coeur des étoiles à neutrons, et de la structure de ces astres compacts eux-mêmes.
Dans cette contribution, ces découvertes exceptionnelles seront brièvement passées en revue du point de vue du physicien nucléaire. En particulier, je montrerai les liens directs qui existent entre ces observations et la modélisation des étoiles à neutrons, ainsi que les contraintes que ce signal apporte à notre compréhension de la structure de la matière nucléaire et de l'équation d'état nucléaire.
L'état actuel de l'équation d'état nucléaire sera également passé en revue. Je montrerai que l'effort collectif de la communauté de physique nucléaire, avec à la fois des avancées importantes sur les calculs théoriques ab-initio, et de nouvelles expériences et analyses des propriétés des noyaux atomiques, permet aujourd'hui de prédire les observables astrophysiques associées aux propriétés statiques des étoiles à neutrons avec des incertitudes contrôlées.
Différentes stratégies permettant de progresser dans la compréhension quantitative du signal des ondes gravitationnelles à partir de notre connaissance de la microphysique associée, seront aussi discutées.Orateur: Francesca GULMINELLI (LPC Caen/Université de Caen/ENSICAEN)
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12:30
Déjeuner Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Table ronde 1: La Physique autrement, la physique en intrication avec d'autres disciplines Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Physique mathématique, astrophysique, chimie physique ou physico-chimie, biophysique ou biologie physico-chimique… la physique n’a pas attendu l’invention du terme d’interdisciplinarité, et encore moins son emploi généralisé, pour nourrir des liens intenses et fructueux avec les autres champs de recherche. Partageant avec eux théories, principes, objets, méthodes, instruments et résultats, elle apparaît ainsi autant comme une discipline que comme un carrefour, une science aux multiples interfaces dont Marc Mézard, Giorgio Parisi et Aleksandra Walczak vont dévoiler quelques illustrations parmi les plus saillantes aujourd’hui : quel est l’impact du machine learning sur la physique ? Comment la théorie des systèmes complexes vient-elle éclairer une infinité de domaines, de la matière condensée à la finance ? De quelle manière la physique permet-elle de comprendre le fonctionnement des organismes vivants ? Trois regards croisés sur une discipline ouverte tous azimuts…
Président de session: Denis Guthleben (CNRS)-
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Réseaux, patterns et informations dans les systèmes biologiquesOrateur: Mme Aleksandra Walczak (ENS, Paris)
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Impact du machine learning sur la physiqueOrateur: M. Marc Mézard (ENS, Paris)
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Les systèmes complexesOrateur: M. Giorgio Parisi (Université La Sapienza, Rome, Italie)
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Discussion
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Conférences plénières: 2 Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Président de session: Dominique Vernhet (CNRS-Sorbonne Université)-
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L’Alchimie du Vide
La naissance de l’électrodynamique quantique il y a environ 100 ans a changé notre compréhension des interactions lumière-matière, en insistant notamment sur l’importance des fluctuations quantiques qui ont un impact sur les propriétés de la matière. Avec la possibilité d’exalter par couplage les interactions lumière-matière, deux grands régimes peuvent être identifiés et facilement mis en évidence dans des cavités optiques. Le régime dit de couplage faible qui modifie les propriétés radiatives de la matière et celui dit de couplage fort où des états hybrides lumière-matière sont générés. Ces derniers peuvent se former même en absence de lumière justement par interaction avec le champ électromagnétique du vide.
Alors que le régime du couplage fort a été beaucoup étudié pour ses effets quantiques et optiques, les conséquences de la présence des états hybrides sur les propriétés fondamentales des molécules et des matériaux sont restées largement inexplorées jusqu’à il y a une quinzaine d’années. Après une introduction générale du sujet, des exemples de modification de propriétés chimiques et matérielles de systèmes fortement couplés seront présentés pour illustrer le potentiel de ces recherches dans différents domaines.Orateur: Thomas Ebbesen (Institut d’Études Avancées de l'Université de Strasbourg)
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16:15
Pause - Café Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Mini-colloques: MC03 Information et biologie: 1 Salle Violette Brisson
Salle Violette Brisson
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Projection methods as dimensionality reduction tool and application in neuroscience
Dimensionality reduction techniques, such as PCA, t-SNE, and UMAP, are commonly used in various scientific fields to analyze high-dimensional data. These methods project the data onto a lower-dimensional embedding space, making it easier to visualize and analyze. In this conference presentation, I will discuss two different aspects of dimensionality reduction. First, I will present an application of non-linear projection methods in the field of neuroscience, specifically focusing on the spatial representation in the hippocampus of mice. I will highlight how these techniques can reveal the spatial coding modalities and mechanisms at play. Second, I will present analytic results for non-linear projection of paradigmatic data, which can serve as benchmarks for studying real-world data. These benchmark results can provide a reference point for evaluating the performance and effectiveness of different dimensionality reduction techniques in practical applications.
Orateur: Nicolas LEVERNIER (CPT & INMED, Aix-Marseille Université) -
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Inferring collective dynamics in groups of social mice
Social interactions are a crucial aspect of behavior in human society and many animal species. Nonetheless, it is often difficult to distinguish the effect of interactions from independent animal behavior (e.g. non-Markovian dynamics, response to environmental cues, etc.). I will address this question in social mice, where we infer statistical physics models for the collective dynamics for groups of mice, housed and location-tracked over multiple days in a controlled yet ecologically-relevant environment. We reproduce the distribution for the co-localization patterns using pairwise maximum entropy models. The inferred interaction strength is biologically meaningful, and can be used to characterize sociability for different mice strains. Moreover, these models can distinguish the effect of change of prefrontal cortex plasticity due to social-impairment drugs, and useful to study autism in the mice model. The equilibrium dynamics on the resulting model can successfully predict the transition rates, but not the waiting time distribution. Inspired by the observed long-tailed waiting time distributions in the mice, we have developed a novel inference method that can tune the dynamics while keeping the steady state distribution fixed. Constructed through a non-Markovian fluctuation-dissipation theorem, this new inference method, termed the "generalized Glauber dynamics", addresses an important question in statistical inference, for which I will derive the expression, demonstrate its power, and show how to infer the model using examples of Ising and Potts spins. Finally, we will apply the generalized Glauber dynamics to the social mice data, and show how memory is important in collective animal behavior.
Orateur: Xiaowen CHEN (LPENS, CNRS) -
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Perceptual Matter and the Virtual Reality Experimental Machine
Living organisms adapt their response to the environment through the perception of external physical stimuli, such as light or gravity. Understanding how organisms integrate environmental information to organize their behaviors is a fundamental question at all scales of life, from simple cells to group of organisms.
I propose a coherent framework for perceptual interactions coupling generalized models and virtual reality experiments. I will detail how we can build minimal models to relate perception and movements, with an approach based on field theory. Because of the geometric nature of vision, it then appears as a good starting point to explore the relationship between sensory information and behaviors. I will then show how the design of environments in Virtual Reality make it possible to measure and control the behavior of individuals with computer-generated environment.
Orateur: renaud BASTIEN (Centre de Recherches sur La Cognition Animale (CRCA), Centre de Biologie Intégrative (CBI), Université de Toulouse, CNRS, France) -
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Statistical learning approaches to modelling T cell response at the molecular level
The immune response to an infection and to cancer is based on the ‘recognition’ of small portions of pathogen or cancer-related proteins (antigens) by cells of the immune system, for instance T cells. The specific binding of T-cell receptors (surface proteins of T cells) to antigens is the key step leading to effective immune responses. Identifying antigens that can be recognized by T cells, as well as antigen-specific T-cell receptors, is therefore crucial to vaccine and cancer immunotherapy design. In this talk, I will discuss a set of flexible and easily interpretable models that we have recently developed based on the machine learning scheme of Restricted Boltzmann Machines (RBM) and that are learnt from large protein sequence datasets. Such scheme allowed us first to build models of the process of antigen presentation to the immune system, which can be used to reconstruct the underlying molecular motifs and as predictors of viral and cancer antigens. I will next introduce RBM-based models of the complementary process of recognition by T cells of presented antigens, which are able to discriminate responses specific to different antigens and to detect signatures of response at the T-cell repertoire level.
Orateur: Barbara Bravi (Imperial College London) -
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Cell lineage statistics and fitness with incomplete population trees
Cell lineage statistics is a powerful tool for inferring cellular parameters, such as division rate, death rate or the population growth rate. Yet, in practice such an analysis suffers from a basic problem: how should we treat incomplete lineages that do not survive until the end of the experiment? Here, we develop a model-independent theoretical framework to address this issue. This framework provides a linear response relation which quantifies the reduction of population growth rate due to the inclusion of cell death. We show how to quantify fitness landscape, survivor bias and selection for arbitrary cell traits from cell lineage statistics in the presence of death, and we test this method using an experimental data set in which a cell population is exposed to a drug that kills a large fraction of the population. This analysis reveals that failing to properly account for dead lineages can lead to misleading fitness estimations. For simple trait dynamics, we prove and illustrate numerically that the fitness landscape and the survivor bias can in addition be used for the non-parametric estimation of the division and death rates, using only lineage histories. Further, in the context of cell size control, we obtain generalizations of Powell’s relation that link the distributions of generation times with the population growth rate, and show that the survivor bias can sometimes conceal the adder property, namely the constant increment of volume between birth and division.
Orateur: David Lacoste (CNRS-ESPCI) -
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Emergence of long time scales in a fluctuating landscape picture of animal behavior
Animal movement exhibits multiple time scales: from the fine-scale movements of the limbs, to the behavioral sequences that result in different search strategies, all the way up to aging. Here, we hypothesize that the multiplicity of scales inherent to behavior effectively breaks ergodicity, preventing the system from reaching a steady state within experimental time scales. This motivates a phenomenological picture in which the behavioral dynamics evolve in a fluctuating potential landscape: the different wells correspond to stereotyped movements while the potential itself fluctuates reflecting slow changes in strategies or internal states. Under general assumptions for the underlying dynamics, we show that driving the potential landscape slowly and strongly enough results in the emergence of heavy-tailed first passage times, which asymptote to a power law with an exponent of -2. Finally, we illustrate these results in the behavior of the nematode C. elegans, in which a slowly varying potential landscape accurately predicts the nontrivial statistical properties of the dynamics. Such inferred slow dynamics reflect underlying neuro-physiological patterns, opening up new paths for the understanding of how such internal states are generated and controlled by the organism.
Orateur: Antonio Carlos Costa (Ecole Normale Superieure)
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Mini-colloques: MC07 Les 100 ans de l'effet Compton : des sources aux applications: 1 Salle Cécile DeWitt-Morette
Salle Cécile DeWitt-Morette
Président de session: Andrew Mayne (ISMO, Orsay)-
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Historique de l’effet Compton et ses Applications en matière condensée
Il y a cent ans, Arthur Compton recevait le prix Nobel pour sa découverte, faite seulement un an auparavant. Il avait expliqué la perte d’énergie observée pour des photons diffusés par la matière (déplacement Compton), en utilisant la dualité onde-particule, notion alors toute récente.
En déterminant la quantité de mouvement initiale des électrons, la diffusion Compton permet une étude sélective des électrons les plus délocalisés de la cible et, ce, dans leur état fondamental.
L’expérimentation est rendue difficile par la concurrence avec l’absorption photoélectrique, entraînant un intérêt précoce pour les sources de rayonnement synchrotron, avec, de plus l’avantage d’une polarisation du faisceau.
Le record de résolution a été obtenu à LURE (Orsay), conduisant à des résultats déterminants pour la matière condensée, telles la mise en évidence puis l’étude :
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des corrélations électroniques dans les métaux,
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de la polymérisation des molécules d’eau dans le liquide,
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de la distorsion de la densité électronique des composés d’insertion, invalidant les « modèles de bandes rigides » utilisés jusqu’alors,
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de la contraction de la molécule de C60, pourtant supposée indéformable, dans un composé d’insertion.
Les récentes générations de synchrotrons ont ouvert des champs nouveaux, avec des photons plus énergétiques : composés magnétiques en polarisation, alliages métalliques, etc...
Orateur: Mme Gneviève Loupias (Sorbonne Université) -
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Cristallographie quantique : pourquoi ne pas marier Bragg et Compton ?
La plus grande partie de la cristallographie quantique a été développée dans l'espace des positions. Cet espace est généralement considéré comme celui offrant un point de vue privilégié pour étudier les liaisons chimiques. Ceci est amplement justifié par la relation directe entre la densité de probabilité de position des électrons et les facteurs de structure, qu'ils proviennent d'expériences de diffusion de Bragg des rayons X ou des neutrons polarisés. Cependant, puisque la cristallographie quantique ambitionne d'aller au-delà de la probabilité de présence et d'approcher le problème de la fonction d'onde, il devient légitime de s'interroger sur la pertinence d'ignorer une moitié entière de l'espace des phases : celle relative aux vitesses des électrons. On sait depuis Compton et duMond que l'information dans l'espace des impulsions est disponible à partir de la mesure de la diffusion inélastique des rayons X et qu'elle pourrait être combinée (sinon confrontée) avec celle dans l'espace des positions.
L'exposé evoquera certains des avantages, ainsi que les contraintes et difficultés associées, au développement d'une vision de l'espace des phases de la cristallographie quantique. Nous décrirons ainsi comment une approche de la cristallographie quantique peut être construite à partir des observables de l'espace des phases, ce que les dernières tentatives nous ont appris et à quel point nous sommes proches d'obtenir une vision plus large du comportement des électrons, débordant le seul espace des positions.
Orateur: Jean-Michel Gillet (CentraleSupelec Université Paris Saclay) -
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Calculation of molecular ionization cross-sections using complex Gaussian representations of the continuum
The theoretical study of molecular ionization processes requires an efficient description of the electronic continuum states. Because of their very interesting mathematical properties, Gaussian basis sets are widely exploited for bound states calculations, while their use is far less developed in the context of fragmentation processes where continuum states play a leading role.
In a series of recent papers [e.g. A. Ammar et al, 2021 J. Comput. Chem. 42, 2294], we have explored the possibility of representing the continuum state associated with the outgoing electron with complex Gaussian-type orbitals (cGTOs), i.e. Gaussian orbitals with a complex exponent. While nodeless real GTOs usually fail in representing oscillating wavefunctions, their complex counterparts perform better, leading to sufficiently accurate expansions (up to ~ 30 a.u. using typically 30 cGTOs), reliable enough for physical applications. Based on such Gaussian orbitals, we have derived analytical, closed-form expressions for all the integrals involved in cross-section calculations, either in the case of molecular photoionization, or in the more challenging case of electron-impact ionization.
The method has been first applied to the calculation of photoionization cross-sections and asymmetry parameters for ammonia, water and methane, using angular-averaged potentials and a monocentric approximation for the initial states of the target. We will also present triple differential cross-section calculations for the electron-impact ionization (e,2e) of methane with two sets of kinematic parameters corresponding to recent experiments [E. Ali et al 2019, J. Chem. Phys. 150, 194302].
Orateur: Dr Arnaud Leclerc (Université de Lorraine) -
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Processus Compton stimulé à deux couleurs en champ X intense et bref
Dans ce travail nous étudions l’absorption d’un photon X suivi de l’émission stimulée par un second photon X de fréquence - ou couleur - différente conduisant à l’ionisation du système considéré. Ce processus non-linéaire se produisant à haute intensité est appelé effet Compton Stimulé (ECS) [1,2]. Il est calculé par la résolution de l’équation de Schrödinger dépendante du temps pour des impulsion brèves (centaine d’attoseconde), et présente une signature particulière dans la distribution énergétique résolue en angle de la photoionisation. Dans le cas de l’ionisation d’atomes en régime ECS, une asymétrie avant-arrière dans la direction du transfert d’impulsion entre photons du champ électromagnétique bi-chromatique. En particulier, plus d’électrons sont émis dans la direction de ce transfert. Cette asymétrie est un résultat qui s‘interprète par la prise en compte du moment du photon dans le processus d’ionisation et nécessite une description non-dipolaire de l’interaction.
Dans le cas d’une cible moléculaire, le dihydrogène pour notre étude, l’orientation de l’axe moléculaire par rapport à l’axe de polarisation et de propagation est un degré de liberté supplémentaire permettant de caractériser cette interaction. La distribution angulaire de simple ionisation montre une distribution complexe qui peut parfois être en contradiction avec ce qui est observé dans le cas atomique [3-4]. Cette physique non-linéaire nécessite l’emploi de champs X intenses (allant jusqu’à 10$^{19}$ W/cm$^2$), et se positionne dans le contexte des sources X intenses est brèves développées à ce jour et en particulier les sources XFEL.[1] – M. Dondera et al. Phys. Rev. A 90, 033423 (2014)
[2] – H. Bachau et al. Phys. Rev. Lett. 112, 073001 (2014)
[3] – A. Sopena et al. Phys. Rev. A 105, 033104 (2022)
[4] – A. Sopena et al. Nat. Com. 4, 253 (2021)Orateur: Fabrice CATOIRE (CNRS-CELIA) -
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La source X Compton Inverse de l’accélérateur ELSA du CEA
ELSA (Electrons, Lasers, Sources X et Applications) est un accélérateur linéaire d’électrons basé au CEA-DAM, dont l’application principale est la fourniture de rayonnement X par Bremsstrahlung pour l’étude et la calibration de systèmes de détection X. Une nouvelle ligne est par ailleurs en développement, destinée à produire un rayonnement X accordable d’une dizaine à une centaine de keV en mettant à profit un autre procédé physique basé sur la diffusion dite « Compton Inverse ». Il consiste à faire interagir des photons du domaine optique avec des électrons relativistes afin de produire du rayonnement X. Les caractéristiques de ce rayonnement sont : une largeur spectrale typique inférieure à 10% et la production d’impulsions d’une durée de quelques picosecondes. Si le fonctionnement en mode monocoup est primordial sur ELSA pour l’étude des détecteurs X rapides, il est par ailleurs possible de l’utiliser en mode récurrent pour cumuler la dose produite par un grand nombre d’impulsions consécutives pour de nombreuses autres applications.
Nous reviendrons dans cet exposé sur le principe général de la diffusion Compton Inverse et sur les résultats expérimentaux obtenus depuis quelques années dans cette thématique sur l’accélérateur ELSA, ainsi que sur les contraintes physiques susceptibles de limiter la montée en rendement de production des photons X. Nous montrerons enfin les développements spécifiques actuels pour optimiser le flux produit, à la croisée de la physique des faisceaux d’électrons et des faisceaux lasers.
Orateur: M. Abel Pires (CEA-DAM, UPS LMCE) -
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Le Projet ThomX
Actuellement les demandes d'accès aux sources brillantes, accordables et monochromatiques de rayons-X sont grandissantes dans les domaines de la préservation du patrimoine (études des toiles de Maîtres), de la médecine (imagerie et thérapie) et des applications industrielles (sciences des matériaux). Les synchrotrons sont les meilleurs sources de lumière en termes d'accord en énergie et de brillance. Malheureusement de fortes contraintes freinent leur utilisation et leur diffusion, comme leurs dimensions, leurs coûts de construction et d'opérations ou encore la forte demande des temps de faisceau. D'un autre côté, les machines Compton compactes, pour un coût modéré comparé aux synchrotrons et des dimensions compatibles avec un hall d'expériences, peuvent fournir un faisceau de rayons-X quasi-monochromatique de hauts flux et de haute brillance, en comparaison avec les sources de laboratoire actuelles (tubes à rayons-X).
Le projet ThomX a pour but de produire une source brillante et accordable de rayons-X dans un environnement contraint (muséums, hôpitaux, laboratoires). La source compacte est en cours de démarrage au laboratoire Irène Joliot-Curie (IJCLAB) sur le campus d'Orsay de l'université Paris-Saclay. Elle est conçue pour produire un flux total de $10^{13}$ ph/s et une brillance de $10^{11}\ \mathrm{ph/(s.mm^2.mrad^2)}$ dans 0.1\% de largeur spectrale, avec un accord en énergie allant de 45 keV à 90 keV sur l'axe du faisceau de rayons-X. Avec ce flux et les paramètres de la machine ThomX, il est possible d'obtenir $10^{11}$ ph/s dans 2-3\% de largeur spectrale et une divergence de l'ordre de 2 mrad avec la simple utilisation d'un diaphragme et de la cinématique de la diffusion Compton. Pour atteindre ces performances, le paquet d'électrons et l'impulsion laser doivent tout deux être stockés, dans un anneau de stockage et une cavité Fabry-Perot à fort gain, respectivement.
L'imagerie médicale est l'un des domaines d'application de ThomX, avec la radiographie standard ou la tomographie 3D. Le fait que le faisceau soit directionnel et quasi-monochromatique permet d'envisager d'autres techniques, comme l'imagerie par contraste de phase ou l'imagerie par soustraction de K-edge ou encore la radiothérapie. D'autres techniques basées sur les rayons-X (diffractions, fluorescences, etc.) peuvent également être utilisées avec ThomX pour l'analyse des matériaux ou les études sur l'héritage culturel (archéologie, histoire de l'art, etc.). Enfin, dans les domaines de la cristallographie, lithographie, chimie, métallurgie et biologie, des techniques d'imageries ou d'analyses résolues en temps peuvent être envisagées avec ThomX.
Dans ce cadre, la présentation proposée commencera par introduire quelques généralités sur les machines Compton, puis présentera le projet ThomX et ses applications. Nous finirons par exposer les derniers résultats du commissionning de cette machine.
Orateur: Manar Amer (IJCLab) -
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Source de rayonnement Compton tout-optique par accélération laser-plasma
L’émergence des accélérateurs laser-plasma a ouvert la voie au développement de sources de rayonnement X et gamma innovantes [Corde et al., Rev. Mod. Phys. 85, 1 (2013)], avec des propriétés uniques comme leur durée femtoseconde et leur taille de source micrométrique. Parmi ces sources, la diffusion Compton inverse est particulièrement prometteuse pour générer des photons de haute énergie avec une brillance pic élevée. Dans cet exposé, nous présenterons la source Compton développée au LOA, notamment avec un schéma original qui combine astucieusement un accélérateur laser-plasma et un miroir plasma, ce dernier permettant de réfléchir l’impulsion laser pilotant l’accélérateur, et donnant ainsi lieu à la collision Compton entre le faisceau d’électrons et le laser réfléchi. Sa démonstration expérimentale, un résultat pionnier du LOA [Ta Phuoc et al., Nat. Photon. 6, 308 (2012)], a entrainé un développement intense de ces sources Compton laser-plasma à l’international.
Nous discuterons ensuite les projets en cours en lien avec cette source Compton tout-optique. D’une part, dans le cadre du centre sur l’accélération laser-plasma LAPLACE en cours de construction au LOA, le laser haute cadence LAPLACE-HC sera utilisé pour produire des faisceaux d’électrons dans la gamme 5-40 MeV et des rayons X mous et durs par diffusion Compton inverse, et cela avec un taux de répétition élevé (100 Hz – 1 kHz). L’aspect haute cadence permettra d’étendre considérablement la portée applicative de la source Compton laser-plasma, notamment pour la radiographie [Döpp et al., PPCF 58, 034005 (2016)], l’imagerie, les expériences pompe-sonde et les études de dynamique ultra-rapide en matière condensée ou physique des plasmas, et les applications médicales. Il ouvrira également de nouvelles opportunités pour l’optimisation de la source et sa stabilité avec des boucles de rétroaction.
D’autre part, la diffusion Compton tout-optique a un très fort regain d’intérêt car elle est aujourd’hui une des approches les plus prometteuses pour l’étude fondamentale de l’électrodynamique quantique (QED) en régime de champ fort, caractérisé par des champs électriques dépassant le champ critique de Schwinger (générant alors des paires e-e+ à partir des fluctuations quantiques du vide). En pratique, ce champ critique pourrait être atteint dans le référentiel propre d’un électron ultrarelativiste en utilisant les impulsions laser ultra-intenses du laser 10 PW APOLLON [Grech et al., hal-03229914 (2021)]. La diffusion Compton entre alors dans ce régime de champ fort, et les photons Compton ainsi produits peuvent se désintégrer en paires e-e+ en présence du champ fort via le processus Breit-Wheeler nonlinéaire. Nous présenterons le développement et la modélisation d’une source Compton pour APOLLON en optimisant le schéma du LOA, avec l’objectif de pouvoir réaliser des premiers tests de QED en champ fort.
Orateur: Sébastien Corde (Ecole Polytechnique, LOA)
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Mini-colloques: MC08 Dernières avancées dans le domaine des technologies quantiques: 1 Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
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Josephson waveguide: a new platform for quantum optics
Josephson waveguides have recently emerged as very promising platform for superconducting quantum science and technologies. Their distinguishing potential resides in ability to engineer them at sub-wavelength scales, which allows complete control over wave dispersion and nonlinear interaction. In this talk I will discuss a Josephson waveguide with strong third order nonlinearity, which can be tuned from positive to negative values, and suppressed second order non-linearity. As first implementation of this versatile meta-material, we operate it to demonstrate a novel reversed Kerr phase-matching mechanism in traveling wave parametric amplification. In a second part, I will report on our observation of broadband vacuum two-mode squeezing in these Josephson waveguides. Besides such advances in amplification performance and the generation of broadband squeezing, Josephson meta-materials open up exciting experimental possibilities in the general framework of microwave quantum optics, single-photon detection and quantum limited amplification.
Orateur: Nicolas ROCH (Institut Néel, Grenoble) -
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Quantum control of an ultracoherent mechanical resonator with a fluxonium qubit
Nowadays, the state-of-the-art chip-scale phononic-crystal membranes can achieve lifetimes over 100 s and coherence times in the order of seconds in a thermal environment at 10 mK. [1]. It can be achieved using softly-clamped silicon-nitride membranes (typically in MHz frequency range). The strong coupling between these outstanding mechanical resonators and the superconducting qubits (typically in GHz frequency range), the most promising platform for scalable quantum computers, has been a long-pursued goal since it could open the door to novel quantum technology applications, like record-beating quantum memories, microwave-optical quantum transducers [2] or even fundamental quantum gravity tests [3] by creating superposition of non-gaussian states of the membrane. The main challenge to overcome is reducing the wide frequency difference between both quantum devices, typically 10^3. Inspired by recent works [4], our group had proposed a novel coupling scheme to finally turn the dream into a reality. We developed a 2MHz qubit with state-of-the-art coherence times for such qubit architecture and we are able to produce the membranes with the defect large enough to be coupled with this qubit.
I’d like to present the results on the phononic-crystal membrane that we use and how we can create non-classical states of this membrane using the superconducting qubit as well as result on qubit itself and why it is almost state-of-art qubit in MHz range of frequencies.References
[1] Y. Tsaturyan, et al. Nat. Nanotech. 12, 776 (2017)
[2] R. W. Andrews, et al. Nat. Phys. 10, 321 (2014)
[3] M. Gely and G. Steele, arXiv:2004.09153 (2021)
[4] J. J. Viennot, X. Ma, and K. W. Lehnert, Phys. Rev. Lett. 121 (2018) 183601Orateur: Kyrylo GERASHCHENKO (Laboratoire Kastler Brossel, CNRS, Laboratoire de Physique de l'ENS, Collège de France, Sorbonne University) -
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Single-electron-spin resonance by microwave photon counting
Electron spin resonance (ESR) spectroscopy is the method of choice for characterizing paramagnetic impurities in a sample, with applications ranging from chemistry to quantum computing but it gives access only to ensemble-averaged quantities due to its limited signal-to-noise ratio. Here, we report a new method for the detection of single electron spins at millikelvin temperatures. Analogous to the optical fluorescence detection of atoms or molecules, it consists in detecting the microwave photons spontaneously emitted by an electron spin when it relaxes radiatively to its equilibrium ground state after being excited by a pulse [1]. To enhance the radiative relaxation rate [2], the spins are inductively coupled to a small-mode-volume, high-quality-factor, superconducting resonator patterned on top of the sample. The microwave fluorescence photons are then routed towards a single-microwave-photon counter based on a superconducting qubit [3].
The method applies to all paramagnetic species with sufficiently low non-radiative decay rate; here, we demonstrate it on rare-earth-ion spins (Er3+) doped in a scheelite CaWO4 host matrix. We resolve individual narrow peaks in the fluorescence signal, on which we observe microwave photon anti-bunching, proving that they originate from single spins [4]. We reach a signal-to-noise ratio of 1 in 1 second integration time for each Er3+ ion located in a detection volume of ∼20μm3. We observe spin coherence times above a millisecond, limited by the radiative lifetime. I will discuss the new perspectives opened by these results for practical single electron spin resonance spectroscopy and spin-based quantum computing.
[1] E. Albertinale et al., Nature 600, 434 (2021)
[2] A. Bienfait et al., Nature 531, 74 (2016)
[3] R. Lescanne et al., Phys. Rev. X 10, 021038 (2020)
[4] Z. Wang et al., arXiv:2301.02653
*E.F acknowledge the support of the European Research Council through grant agreement No. 101080139 (INGENIOUS) and support from the Agence Nationale de la Recherche (ANR) through grant DARKWADOR:ANR-19-CE47-0004.
Orateur: Emmanuel Flurin (SPEC - CEA) -
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Interaction ion-ion véhiculée par la contrainte dans les cristaux dopés aux ions de terres rares
Les ions de terre rare en matrice cristalline sont aujourd'hui au coeur d'intenses efforts de recherche fondamentale et appliquée, relevant des technologies quantiques (mémoires optiques, mémoires micro-ondes, transduction optique-micro-ondes, calcul quantique), mais aussi du traitement de signaux (analyse spectrale de signaux radio-fréquence, retournement temporel, ou encore filtrage). Dans ces matériaux, les sources de décohérence sont scrutées avec intérêt car elles constituent une limite aux performances des architectures proposées.
Dans ce contexte nous avons récemment démontré que l'excitation optique des ions de terres rares produit un changement local de la forme de la matrice hôte, attribué à un changement de la géométrie de l'orbitale électronique de l'ion de terre rare (Louchet-Chauvet et al., arXiv:2109.06577). Cet effet, que nous avons baptisé effet "piezo-orbital", correspond à une action en retour optomécanique fondamentale, et s'accompagne le plus souvent d'un effet photothermique lié à l'échauffement local du cristal dans le volume excité.
Dans ce travail, nous étudions les conséquences de cette action en retour piezo-orbitale sur les raies optiques des ions de terre rare voisins. Nous montrons comment elle conduit à une interaction ion-ion spécifique véhiculée par la déformation mécanique. Cette interaction, intimement liée à l'effet piezospectroscopique (c'est-à-dire la sensibilité de la fréquence des raies atomiques à la contrainte dans le cristal hôte), varie comme 1/r^3, tout comme les autres interactions ion-ion usuelles, à savoir les interactions dipôle-dipôle électrique et magnétique.
Nous évaluons et comparons quantitativement l'ampleur de ces trois interactions sous l'angle du mécanisme de diffusion spectrale instantanée, et réexaminons la littérature scientifique dans un ensemble de cristaux dopés aux ions de terres rares à la lumière de cette contribution généralement sous-estimée (Louchet-Chauvet et al., J. Phys. Cond. Mat. 2023).Orateur: Anne LOUCHET-CHAUVET (Institut Langevin) -
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ANALOGUE QUANTUM SIMULATION OF ROTATING BLACK HOLES IN POLARITONS
Since their discovery, black holes have motivated many theoretical works in the framework of general relativity, where the curvature of spacetime and trajectory of particles are of particular interest. Furthermore, they have also driven the theoretical study of quantum field effects such as Hawking radiation or rotational superradiance, although these remain unobserved due to their very weak signal. Our project aims to experimentally simulate these effects using the optical platform of excitons-polaritons. These form a two-dimensional quantum fluid whose phase and density we fully control optically. We engineer a draining bathtub (vortex) flow in which fluid excitations behave as though they were on a rotating black hole geometry. We investigate the dynamics of solitons (massive excitations of the quantum fluid) in this flow. We find that they follow geodesics of the rotating geometry across the horizon and the ergosurface. Such trajectories are precursors of dynamical instabilities of the quantum field. Our work thus constitutes a first step towards the study of such exotic phenomena typical of rotating black holes.
Orateur: Killian Guerrero-Feuillet (Laboratoire Kastler Brossel)
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Mini-colloques: MC10 Physique et intelligence artificielle: 1 Salle Claudine Hermann
Salle Claudine Hermann
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Machine Learning prediction of the structural/textural-mechanical properties relationship of pyrolytic carbons
The ability of C/C composites to maintain high mechanical properties up to very high temperatures (above 3000 K), combined with their low densities, justifies their use in extreme conditions, especially in aerospace and defense applications. However, due to the very large anisotropy of their constituents, their partial crystalline order, and the difficulty to perform experiments under the appropriate conditions, the relationship between the structure/texture of these materials and their mechanical behavior is incomplete. In particular, the prediction of the individual behavior of the different constituents (fibers, matrices) at small scales is a fundamental step in the development of virtual materials at the composite or part scales.
We propose an original approach to develop atomistic models of Pyrocarbon (PyC) matrices using a molecular dynamics reconstruction method guided by a polygranular textured image (PG-IGAR), introduces explicitly grains (crystallites) in the 3D image template of size (Lc , La) and orientation OA derived from X-Ray diffraction and Selected Area Electron Diffraction data (SAED), respectively. This method is used to provide a large database of relevant structural and textural properties of these materials [1].
The full elastic tensors of the models constituting the database are computed within the adiabatic framework. Doing so, the adiabatic elastic constants are obtained by imposing an instantaneous deformation of the material neglecting both lattice and atomic relaxations. This method has already been used to computed the elastic tensor of the triclinic compound TATB [2] and for single crystalline graphite [3]. Such elastic constants are directly comparable to the measurement of mechanical properties by ultrasonic pulse experiments.
Finally, a Machine Learning (ML) model using random regression tree forests is implemented in order to accurately describe the relationship existing between structure and texture on one side and the mechanical behavior on the other side.
References
1. P. Weisbecker and al. Microstructure of pyrocarbons from pair distribution function analysis using neutron diffraction. Carbon 50 (4), (2012), 1563-1573.
2. P. Lafourcade and al. Dislocation core structure at finite temperature inferred by molecular dynamics simulations for 1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzene single crystal. J. Phys. Chem. C 121 (13) (2017) 7442–7449.
3. F. Polewczyk and al. Temperature-dependent elasticity of single cristalline graphite. Submitted to Computational Materials Science.
Orateur: Franck Polewczyk (CEA DAM-DIF & Institut des Sciences Moléculaires (ISM)) -
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Chemically-specific multiscale mechanical simulation of nanomaterials: improving tractability with machine learning
Material properties, particularly mechanical ones, are intrinsically multiscale, emerging from the material's structure ranging from the atomic to the continuum structure. Multiscale modelling and simulation based on the assumption of a separation of scales in the architectures of nanomaterials appears as a promising alternative to trial-and-error experiments for material design. The current standard for multiscale simulation is hierarchical, information is passed bottom-up, from one scale to another, in a sequential fashion. However, this may not be sufficient at times, two or more scales need to be captured simultaneously as they influence each other synergetically. This is typically the case when the nanoscopic structure of the material evolves with loading applied on much larger scales. A wide range of applications are concerned, non-exhaustively: from the emergence of mechanical properties in polymers showing a mixture of amorphous and crystalline regions at the microscopic scale; ion conductivity in mechanically-loaded electrolytes; chemical attack and corrosion in indented materials. To tackle such challenges, we designed a multiscale computational method coupling concurrently many molecular dynamics simulations to one continuum finite element simulation, enabling the prediction of realistic mechanical observables with chemical specificity. However, the technique is prohibitively expensive even for the largest supercomputers. Nonetheless, by integrating recent machine learning developments, in particular clustering and surrogate modelling, we have improved the tractability of such a technique. In this talk, we will present our most recent developments in terms of multiscale simulation and applications to resolve pressing questions in materials science.
Orateur: Maxime VASSAUX (Institut de Physique de Rennes, Univ. Rennes, CNRS) -
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agnostic machine learning description of chemical reactions in solution
We address the problem of the training of a machine learning potential (MLP) for the atomistic study of rare events. By training a MLP only on a few dozens of agnostic out of equilibrium ab initio trajectories shot from the top of the barrier, we are able to recover free energies close to ab initio accuracy. As well as showing that it is possible to recover transition rates and transmission coefficients using the reactive flux formalism. Contrary to previous works, this training process does not need the prior knowledge of the detailed reaction mechanism. This method allows to study chemical reactions in solution with explicit solvent with a lesser computational cost. To do so we use the deepmd package on a widely studied reaction which is the SN2 substitution of methyl chloride.
Orateur: Timothée Devergne (IMPMC - Sorbonne université) -
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Physics-Informed Neural Networks for Learning about Magnets and their dynamics
With the rapid development of miniaturized devices in spintronics, the dynamics of nanomagnets is of both theoretical and practical interest. The equations of motion for a magnetic moment that figure out the average magnetization embedded in a medium, are differential equations, but contain time derivatives on both sides, that cannot be-in general-recast in a form that is useful for usual numerical methods. Neural networks provide the opportunity to solve differential equations, without imposing a particular format. They are, thus, ideally suited for solving the equations for a dampened and inertial magnetic moment. We have benchmarked the performance of feedforward neural networks in accomplishing such tasks and discuss advantages and shortcomings. We also have envisioned the consequences of such approach for two kind of magnetization population that allows to address both ferrimagnets and antiferromagnets equally. The relation to the process of learning the probability distribution of the magnetization also falls within the purview of this approach. This entails learning the identities between the correlation functions.
Orateur: M. Matthieu Carreau (Télécom Paris, Institut Polytechnique de Paris) -
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Méthodes d’apprentissage machine dans l’expérience JUNO de physique des neutrinos.
L’expérience JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), en cours de construction en Chine, sera l’un des plus grands détecteurs de neutrinos de prochaine génération. Si son champ d'investigation est multiple, l’un des ses principaux buts concerne la hiérarchie de masse des neutrinos, inconnue à ce jour. Sa détermination s’appuie grandement sur la mesure du spectre en énergie d’antineutrinos produits dans des réacteurs nucléaires à 53 km du détecteur. La très grande précision avec laquelle il est nécessaire de reconstruire ce spectre a motivé la conception de JUNO, dont le système principal est une sphère de 35 mètres de diamètre remplie de 20 000 tonnes de liquide scintillant, lue par une grille de photomultiplicateurs (PM) comportant plus de 40000 éléments. Pour exploiter au mieux l’information ainsi collectée lors de l’interaction d’un neutrino, des méthodes d’apprentissage machine (ML) sont en cours de développement, ainsi que des méthodes de reconstruction plus classiques. Cet exposé présentera succinctement l’expérience JUNO et ses motivations physiques, puis présentera un panorama des méthodes ML qui y sont développées. Pour l'essentiel, il s'agit de réseaux de neurones convolutifs, choisis pour traiter comme une image les données de l'ensemble des PM. Pour s'adapter mieux à la sphéricité de cette image, des réseaux de neurones pour graphes sont également développés. Des arbres de décision boostés basés sur des grandeurs physiques reconstruites et non plus sur les signaux fondamentaux des PM sont également employés. Le laboratoire Subatech (IMT-A; Nantes U.; IN2P3/CNRS) participe à ces développements, et a aussi entamé des études sur la fiabilité des algorithmes ML et aux incertitudes systématiques qu’ils pourraient engendrer à JUNO. Un réseau adversoriel est en cours de conception pour cela.
Orateur: Benoit VIAUD (CNRS - in2p3 - Subatech) -
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Machine Learning for Real-Time Processing of ATLAS Liquid Argon Calorimeter Signals with FPGAs
The Phase-II upgrade of the LHC will increase its instantaneous luminosity by a factor of 7 leading to the High Luminosity LHC (HL-LHC). At the HL-LHC, the number of proton-proton collisions in one bunch crossing (called pileup) increases significantly, putting more stringent requirements on the LHC detectors electronics and real-time data processing capabilities.
The ATLAS Liquid Argon (LAr) calorimeter measures the energy of particles produced in LHC collisions. This calorimeter has also trigger capabilities to identify interesting events. In order to enhance the ATLAS detector physics discovery potential, in the blurred environment created by the pileup, an excellent resolution of the deposited energy and an accurate detection of the deposited time is crucial.
The computation of the deposited energy is performed in real-time using dedicated data acquisition electronic boards based on FPGAs. FPGAs are chosen for their capacity to treat large amount of data with very low latency. The computation of the deposited energy is currently done using optimal filtering algorithms that assume a nominal pulse shape of the electronic signal. These filter algorithms are adapted to the ideal situation with very limited pileup and no overlap of the electronic pulses in the detector. However, with the increased luminosity and pileup, the performance of the optimal filter algorithms decreases significantly.
The back-end electronic boards for the Phase-II upgrade of the LAr calorimeter will use high-end INTEL FPGAs with increased processing power and memory. This is a unique opportunity to develop the necessary tools, enabling the use of more complex algorithms on these boards. We developed several neural networks (NNs) with significant performance improvements with respect to the optimal filtering algorithms. The main challenge is to efficiently implement these NNs into the dedicated data acquisition electronics. Special effort was dedicated to minimising the needed computational power while optimising the NNs architectures.
Five NN algorithms based on CNN, RNN, and LSTM architectures will be presented. The improvement of the energy resolution and the accuracy on the deposited time compared to the legacy filter algorithms, especially for overlapping pulses, will be discussed. The implementation of these networks in firmware will be shown. The implementation results on Stratix 10 INTEL FPGAs, including the resource usage, the latency, and operation frequency will be reported. Approximations in the firmware implementations, including the use of fixed-point precision arithmetic, will be discussed. Implementations including time multiplexing to reduce resource usage will be presented. We will show that some of these NNs implementations are viable solutions that fit the stringent data processing requirements on the latency (O(100ns)) and bandwidth (O(1Tb/s) per FPGA) needed for the ATLAS detector operation.
Orateur: Dr Nairit SUR (CPPM - CNRS/IN2P3)
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Mini-colloques: MC15 Matière molle : des concepts fondamentaux à la fabrication de systèmes originaux: 1 Salle Louis Armand Est
Salle Louis Armand Est
Président de session: Anniina Salonen-
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A double rigidity transition rules the fate of drying colloidal drops
The evaporation of drops of colloidal suspensions plays an important role in numerous contexts, such as the production of powdered dairies, the synthesis of functional supraparticles, and virus and bacteria survival in aerosols or drops on surfaces. The presence of colloidal particles in the evaporating drop eventually leads to the formation of a dense shell that may undergo a shape instability. Previous works propose that, for drops evaporating very fast, the instability occurs when the particles form a rigid porous solid, constituted of permanently aggregated particles at random close packing. To date, however, no measurements could directly test this scenario and assess whether it also applies to drops drying at lower evaporation rates, severely limiting our understanding of this phenomenon and the possibility of harnessing it in applications. Here, we combine macroscopic imaging and space- and time-resolved measurements of the microscopic dynamics of colloidal nanoparticles in drying drops, measuring the evolution of the thickness of the shell and the spatial distribution and mobility of the nanoparticles. We find that, above a threshold evaporation rate, the drop undergoes successively two distinct shape instabilities. While the second instability is due to the permanent aggregation of nanoparticles, as hypothesized in previous works on fast-evaporating drops, we show that the first one results from a reversible glass transition of the shell, unreported so far. We rationalize our findings and discuss their implications in the framework of a unified state diagram for the drying of colloidal drops.
Orateur: laurence RAMOS (Laboratoire Charles Coulomb, CNRS et Université de Montpellier) -
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Formation de cristaux colloidaux par assemblage électrostatique en solution de longues chaines polyélectrolytes et de petites nanoparticules de charge opposée.
Le mélange de chaines polyélectrolytes et de nanoparticules de charge opposée en solution aqueuse entraine la formation d’assemblages électrostatiques. La taille, la forme et la compacité de ces assemblages peuvent fortement varier avec, par exemple, les conditions d’écrantage électrostatique, le rapport de concentration des différents partenaires et les caractéristiques de chaque partenaire (i.e. densité de charge, dimension, forme, longueur de persistance des chaines). Il est aussi connu que la nature de la séparation de phase observée autour de la stœchiométrie de charge peut varier d’un système à l’autre (i.e. liquide/liquide ou liquide/solide). Néanmoins, à notre connaissance, ce type d’association asymétrique entre des chaines plus ou moins flexibles et des particules sphériques n’était pas connu pour permettre la formation d’assemblages de structure très ordonnée. Or, nous avons montré récemment que des assemblages colloïdaux cristallins peuvent être obtenus par cette voie d’association électrostatique.$^{1,2}$ Ce résultat est l’objet de la présentation orale. Ainsi, je parlerai de nos travaux expérimentaux menés sur un système composé d’un polyélectrolyte anionique semi-rigide, l'acide hyaluronique, et de nanoparticules d’or recouvertes d’une couche auto-assemblée de ligands cationiques greffés de façon covalente à la surface de l’or. La longueur de contour du polyélectrolyte (L $\approx$ 235 nm) est grande devant la taille des particules (R $\approx$ 4 nm). Nous avons étudié par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) différentes régions des diagrammes d’état de ce système correspondant à différentes concentrations de chacun des partenaires et différentes conditions d’écrantage. De façon inattendu, notre système, composé d’éléments dont la distribution en taille n’est pas spécialement étroite, nous a permis d’obtenir des cristaux colloïdaux dans un domaine particulier des diagrammes d’état. Je montrerai que l’obtention de ces cristaux dépend des conditions d’écrantage et de la flexibilité des chaines polyélectrolytes.
- Shi L, Carn F, Goukassov A, Buhler E, Boue F, Self-Induced Crystallization in Charged Gold Nanoparticle-Semiflexible Biopolyelectrolyte Complexes, Langmuir 2020, 36, 7925 – 7932
- Shi L, Carn F, Buhler E, Boue F, Gold Nanoparticle-Polyelectrolyte Complexes with Tunable Structure Probed by Synchrotron Small-Angle X-Ray Scattering: Implications for the Production of Colloidal Crystals-Based Nanophotonic Materials, ACS Applied Nano Materials 2023, 10.1021/acsanm.3c00259.
Orateur: Dr Florent Carn (Université Paris Cité, Laboratoire Matière et Systèmes Complexes) -
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New insights on the glass transition through optical manipulation of chromophores
Why do supercooled liquids dynamics slow down so abruptly upon cooling towards the glass transition temperature $T_g$? This difficult question can be explored, among other techniques, with local probes, such as azobenzene-grafted molecules. They isomerize and orient themselves under polarized illumination, and their dynamics is affected by the glass matrix [1]. They are also proven to modify glass properties, as used for photo-induced mass transport in glassy polymers [2]. This strong coupling should allow to use these optically active molecules to change the dynamics of glasses at the scale of dynamical heterogeneities. Here, by using a pump-probe optical set-up on an azobenzene-doped molecular glass, we build up and measure the orientation parameter and cis-isomers fraction. At the same time, we follow the dynamics of the material by dielectric spectroscopy. With only 1% of azobenzene-grafted molecules, we observe a jump in the dielectric phase $\delta$ when the pump light is turned on with a maximum at $T=370K$ (close to $T_g = 363K$). This effect is robust, i.e. it is similar when exciting only at 365nm (trans absorption peak) and also when adding a 450nm excitation (cis peak). Because $\delta$ is only sensitive to the relaxation time $\tau_\alpha$, we thus conclude that the relaxation time of the glass matrix varies significantly under illumination. Our results will be compared to a recent RFOT prediction [3] about the photo-activation of glassy dynamics around $T_g$. We will show that our experiment unveils new fundamental aspects of the glass transition.
REFERENCES
1. R. Richert, J. Phys.: Condens. Matter 14, R703 (2002).
2. P. Rochon, E. Batalla and A. Natansohn., Appl. Phys. Lett 66, 136 (1995).
3. V. Lubchenko and P.G. Wolynes, J. Phys. Chem. B 124, 8434 (2020).Orateur: Mx Eden Dzik (CEA Saclay) -
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Microscopic transport in complex environments
Diffusion is a fundamental transport mechanism governing the spreading of microscopic entities. This phenomenon can be enhanced by orders of magnitude in the presence of hydrodynamic velocity gradients due to the Brownian motion across streamlines – a process commonly known as the Taylor dispersion. This phenomenon notably plays a major role in chemical reactions in porous media and engineering of microfluidic devices. Furthermore, the transport is also determined by the confining boundaries. The transported objects can experience electrostatic and hydrodynamic interactions with the boundaries, or even reaction/adsorption at these interfaces. Here by using evanescent wave microscopy, already used to measure the Taylor dispersion full dynamics [1], we study the transport of charged nanoparticles in linear shear flows, near a charged, planar surface on one side, and an open, particle-consuming boundary on the other side. By varying the concentration of electrolytes, we show how the electrostatic repulsion from the surface reduces the dispersion. Besides, the open boundary equivalent to an adsorption-like condition induces an exponential decay of the particle number and a large decrease of the dispersion coefficient [2]. Our results thus bring new insight to the important question: “how do the characteristics of a surface affect microscopic transport in confinement?”.
References
[1] Vilquin, A., Bertin, V., Soulard, P., Guyard, G., Raphaël, E., Restagno, F., ... & McGraw, J. D. (2021). Time dependence of advection-diffusion coupling for nanoparticle ensembles. Physical Review Fluids, 6(6), 064201. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.6.064201
[2] Vilquin, A., Bertin, V., Raphaël, E., Dean, D. S., Salez, T., & McGraw, J. D. (2023). Nanoparticle Taylor dispersion near charged surfaces with an open boundary. Physical Review Letters, 130(3), 038201. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.038201Orateur: Dr Alexandre VILQUIN (LOMA CNRS UMR 5798, Université de Bordeaux, 351 Cours de la Libération – 33400 Talence, France) -
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Instabilité de fronts d'adhésion
L’adhésion de deux solides se fait souvent par la coalescence de films d’adhésif couvrant les surfaces à coller. La dynamique de coalescence détermine partiellement la qualité de l’adhésion. Lors de la mise en contact des films liquides en regard, des ponts capillaires se forment, croissent et forment le contact adhésif final. Lorsqu’il se propage, le front adhésif présente une instabilité de digitation originale. Nous décrirons les caractéristiques géométriques et dynamiques de ce front d’adhésion instable. Nous décrirons également une série d’expériences modèles explorant les mécanismes physiques à l’œuvre dans ce processus complexe.
Orateur: Etienne REYSSAT (PMMH, CNRS, ESPCI Paris, PSL, Sorbonne Université, Université Paris Cité) -
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Impact on a breath figure
A breath figure describes the droplet pattern formed when a vapor condenses onto a surface. First, nanometric droplets of spherical cap shape are created by heterogeneous nucleation. When vapor is constantly provided (supersaturated atmosphere, cold enough surface...), this breath figure evolves with time, the average droplets radii increase. This evolution has been actively studied in the last decades, motivated by understanding nucleation effects [Beysens et al., 2006], thin film vapor deposition, development of anti-dew surfaces and dew recovery system [Lee et al., 2012 et Garimella et al., 2017].
We present here the effect of a mechanical impact on a solid substrate supporting a breath figure. A falling spherical metallic ball impacts the top of the plate, the droplets being on its bottom part. We changed the drop height of the projectile and we observed at different locations the evolution of the breath figure with time. We compared the droplets size distributions before and after impact using the droplet number reduction (%DNR). We show that, for a given mean radius of the droplets, when the acceleration of the substrate exceeds a threshold, the final number of droplets starts to decrease and keeps on decreasing as acceleration is increased. We interpret this result knowing that droplets vibrate, their contact line unpin above a threshold in acceleration [Noblin et al., 2004], presenting oscillations of their radius. This makes them contacting and coalescing with neighbours giving birth eventually to liquids networks. The impact accelerates the natural aging of a breath figure. This could provide a new solution to increase the efficiency of dew recovery processes [L. Betti, C. Cohen, and X. Noblin, Phys. Rev. Fluids 8, 013601 (2023)].
For a better understanding, we then focused on the coalescence dynamics between two water droplets partially wetting under vibrations. e show that several behaviours can then be expressed as function of the contact line speed and the substrate wetting properties. Vibrations thus appear to be a good way to control the dynamics of drop coalescence.
Orateur: Dr Céline COHEN (Université Côte d'Azur, CNRS UMR 7010, Institut de physique de Nice) -
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Gouttes nageuses sous confinement
Des gouttelettes d’eau pure placées dans une phase d’huile contenant des micelles de surfactant peuvent se mettre spontanément en mouvement.
L'activité de ces gouttelettes nageuses provient de la formation de micelles gonflées par des molécules d’eau, à l’interface entre les gouttes et l'huile, ce qui induit des contraintes de Marangoni en surface et provoque le mouvement spontané des gouttelettes.
Nous étudions expérimentalement le comportement de ces gouttelettes autopropulsées confinées dans des tubes capillaires. Dans les régions les plus étroites, ces gouttelettes s'allongent très fortement et révèlent des comportements inattendus, notamment en ce qui concerne leur stabilité.
Nous avons adapté le formalisme classique de Bretherthon à ce nouveau type de déplacement de gouttelettes dans un tube, les gouttes se déplaçant sous l'effet non-conventionnel de contraintes interfaciales internes induites localement.Orateur: Mathilde Reyssat -
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Foams and soft intruders: exploiting elastocapillarity towards novel foam structures
Systems involving a competition between elasticity and capillarity have raised growing interest in the past twenty years, including fundamental physics questions but also engineering perspectives in emerging fields such as micro-fabrication and soft robotics. Taking advantage of capillarity has proven to be an efficient way to assemble, orient, or spontaneously bend elastic slender structures. However, the application of such approach to complex cellular systems is limited so far. We will focus here on the question of tuning foam structures using systems involving capillarity and elasticity.
Foams consist of gas bubbles trapped in a continuous liquid or solid material, whose structure is strictly guided by capillarity. Despite recent progress in "liquid foam templating" to produce solid foams in a controlled and self-assembled way from liquid precursors, we still lack methods to tune the geometry and topology of foams. To reach a better control of foam structures and of their resulting properties, we propose to investigate how integrating deformable objects in foams can modify their structure in the liquid state, before the solidification step. Using a combination of model experiments and theoretical energy minimisation approaches, we first quantified the competition between elasticity and capillarity in a simplified liquid foam structure (deformation of a thin ribbon introduced in a 2D bubble column [1,2]). We will present this first set of results and discuss the extension of this approach to 3D complex materials.
[1] Jouanlanne, M., Egelé, A., Favier, D., Drenckhan, W., Farago, J., & Hourlier-Fargette, A. (2022). Elastocapillary deformation of thin elastic ribbons in 2D foam columns. Soft Matter, 18(12), 2325-2331.
https://doi.org/10.1039/D1SM01687C[2] Physical Review E, Editorial: First Annual APS DSOFT Gallery of Soft Matter.
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.106.050001Orateur: Dr Aurélie Hourlier-Fargette (Institut Charles Sadron, Strasbourg)
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Mini-colloques: MC18 Cinquante années de solitons dans les fibres optiques: 1 Salle Henriette Faraggi
Salle Henriette Faraggi
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Physique des Solitons
Depuis la première observation d'un soliton en 1834, ces ondes solitaires aux caractéristiques exceptionnelles fascinent les scientifiques en raison de leurs propriétés expérimentales très spectaculaires, des développements mathématiques remarquables auxquels leur étude a conduit, mais aussi parce que l'approche en terme de solitons permet de renouveler en profondeur le point de vue sur de nombreux problèmes physiques.
Dans cette présentation, je tenterai de relever le challenge que l’on m’a confié : présenter les fondements à partir d'exemples de la physique macroscopique (hydrodynamique, ondes de pression sanguine, océanographie, communications par fibres optiques, …) en guise d’introduction au mini-colloque.
Au-delà des connaissances sur la physique des solitons, l'objectif est aussi de mettre en valeur une approche féconde : au lieu de linéariser puis de traiter les phénomènes non linéaires comme une perturbation, il est souvent plus judicieux de fonder l'analyse sur les grandes classes d'équations non linéaires.
Si le temps le permet, je tenterai de mettre en lumière les femmes et les hommes qui ont comptés dans ce processus de découverte.
Orateur: Thierry DAUXOIS (CNRS & ENS de Lyon) -
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Freezing of nonlinear waves over an uneven bottom
The nonlinear Schrödinger equation (NLS) is a robust model for describing the evolution of narrow-banded wave packets and has been widely applied in different contexts as optics, plasmas, cosmology or hydrodynamics. When the nonlinear interactions between spectral modes are balanced by wave dispersion or diffraction, stable configurations can appear giving rise to solitons or breathers.
We will consider the evolution of surface gravity water wave-packets propagating over an arbitrary bathymetry. In this case, both the dispersive and the nonlinear coefficients turn out to depend on the fluid depth. Its variation along the propagation direction provides a new degree of freedom to tailor the wave-packet evolution, in analogy to what has been obtained in optical fibers with varying dispersion.We describe how the nonlinear stage of modulation instability can be frozen by varying the water bottom from intermediate to large depth, giving rise to an increase of the magnitude of the nonlinear coefficient. We consider the case of abrupt [1] and smooth [2] bathymetry changes. With the help of a three-wave truncation, we first provide analytical conditions on the occurrence of freezing. Then, we present numerical simulations of the full model, and the experimental confirmation in a water wave flume experiment. We show that the effects of high-order nonlinear terms and dissipation do not dominate the evolution, making the freezing quite a robust phenomenon that can be described using the NLS framework.
Our results help clarify how the breathing evolution of water wave-packets can be dynamically controlled and to understand the impact of bathymetry on extreme-wave lifetimes.
References
[1] Gomel, Chabchoub, Brunetti, Trillo, Kasparian, Armaroli, Stabilization of Unsteady Nonlinear Waves by Phase-Space Manipulation Phys. Rev. Lett. 126, 174501 (2021)
[2] Armaroli, Gomel, Chabchoub, Brunetti, Kasparian, Stabilization of uni-directional water wave trains over an uneven bottom. Nonlinear Dyn. 101, 1131–1145 (2020)Orateur: Maura Brunetti (University of Geneva) -
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Les gaz de solitons : théorie et expériences en hydrodynamique et en optique fibrée
Les solitons sont des ondes localisées pouvant se propager sans se déformer sur de très grandes distances dans des milieux non linéaires dispersifs. De façon remarquable, dans les systèmes intégrables (décrits par des équations telles que l'équation de Schrödinger non linéaire à une dimension), les solitons collisionnent élastiquement et l’interaction de plusieurs solitons est décrite exactement par la somme des seules interactions par paire [1].
Dans cet exposé, nous présenterons des résultats théoriques et expérimentaux issus d’études récentes des gaz de solitons qui peuvent être définis comme des ensembles statistiques à grand nombre de solitons (en interaction) ayant des amplitudes et des phases aléatoires. Le concept gaz de solitons a été introduit en 1971 par Zakharov sous la forme d’un gaz dilué dans lequel les solitons sont bien séparés et interagissent faiblement [1]. La théorie des gaz de solitons a été étendue plus récemment à un gaz dense dans lequel les solitons se recouvrent de façon significative et interagissent fortement [2].
L'outil principal pour l'études des équations aux dérivées partielles non linéaires et intégrables est la transformée de diffusion inverse. Dans ce cadre, les solitons sont associés à des paramètres spectraux, les valeurs propres discrètes λ, qui sont des constantes du mouvement. Dans la théorie de gaz de solitons, l'objet central est la distribution f(λ) des paramètres spectraux qui joue la rôle d’une densité d’état [2]. Sur le plan expérimental, nous avons démontré récemment la génération d’un gaz de soliton à la surface de l’eau dans un bassin unidirectionnel en spécifiant f(λ) [4].
Nous montrerons également que la théorie des gaz de solitons permet de décrire la statistique de phénomènes dynamique complexes fondamentaux tels que l’instabilité modulationnelle spontanée [3]. Nous avons récemment mesuré la densité d’état du gaz de soliton associé à ce phénomène dans des fibres optiques. Cette mesure nécessite l’enregistrement mono-coup de l’amplitude et de la phase de champ fluctuant aléatoirement à des échelles de l’ordre de la picoseconde. Ces observations sont réalisées à l’aide d’un système équivalent à l’holographie numérique dans le domaine temporelle (SEAHORSE) [5,6]. Les résultats montrent l’influence des effets d’ordre supérieur (diffusion Raman stimulée) sur l’évolution de la densité d’état du gaz de soliton.
References
1. V. Zakharov, Sov. Phys. JETP 33, 538–540 (1971).
2. G. El and A. Tovbis, Phys. Rev. E 101, 052207 (2020).
3. A Gelash, D Agafontsev, V Zakharov, G El, S Randoux, P Suret, Phys. Rev. Lett. 123 (23), 234102 (2019)
4. P. Suret et al., Phys. Rev. Lett. 125, 264101 (2020).
5. A. Lebel, A. Tikan, S. Randoux, P. Suret, and F. Copie, Opt. Lett. 46, 298–301 (2021).
6. A. Tikan, S. Bielawski, C. Szwaj, S. Randoux, and P. Suret, Nat. Photonics 12, 228–234 (2018).Orateur: Pierre Suret (laboratoire Phlam, Université de Lille) -
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Electro-OptoMechanical Modulation Instability in a Semiconductor Resonator
In an optomechanical resonator, a mechanically compliant device is coupled to an optical field trapped in a cavity. The mechanical motion of the device modulates the optical field, while the light stored in the cavity exerts a force on the mechanical body. This mutual coupling is non-linear, albeit most experiments in optomechanics have been realized in a linearized regime. In semiconductor resonators in contrast, several forms of light-matter interaction can enrich this conventional optomechanics phenomenology, and give rise to new dynamical regimes.
Here we observe an electro-optomechanical modulation instability in a Gallium Arsenide disk resonator [1]. The regime is evidenced by the concomitant formation of regular combs both in the optical and radio-frequency spectrum of the resonator, associated to a permanent pulsatory dynamics of both the mechanical motion and the optical intensity.To explain this phenomenon, we develop a model of mutual coupling between light, mechanical oscillations, carriers and heat generated within the resonator leading to four coupled differential equations, whose parameters were measured independently. We discuss the perspectives of such mechanical comb controlled by light.
[1] P. Allain, B. Guha, C. Baker, D. Parrain, A. Lemaître, G. Leo, I. Favero, Physical Review Letters,126, 243901(2021)
Orateur: Dr Ivan Favero (CNRS, Université Paris Cité)
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Mini-colloques: MC25 Histoire des Sciences: 1 Salle Cécile Renault
Salle Cécile Renault
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Expériences historiques contestées, problématiques détournées, anachronismes piégeants : le cas des expériences de Galilée
« N'est-ce pas une illusion fréquente chez l'homme d'aujourd'hui que de trouver quasi impossibles des entreprises que l'homme d'autrefois a effectivement réalisées ? » (J. Mesnard).
La méthode de réplication a permis de réfuter certaines positions de scientifiques ou d'historiens (A. Koyré notamment) qui, non seulement ont contesté la réalité d'expériences rapportées notamment par Galilée, mais se sont égarés au sujet de la problématique qui soutenait ces expériences. Le cas de Galilée sera examiné à partir de trois exemples :
– l'expérience dite du « passe-vins » : un détournement de problématique particulièrement criant ;
– le plan incliné : mesurer des durées précises avec une sorte de clepsydre ? Et quid du concept de vitesse au début du XVIIe siècle ?
– la propagation de la lumière et l'expérience des deux lanternes : un pur théoricien tiendrait-il compte du temps de réflexe des protagonistes ? Quelle conception, à cette époque – pour Galilée et, parallèlement, pour Descartes – de « l'instantanéité » ?Orateur: Pierre LAUGINIE (GHDSO, université Paris-Saclay) -
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Répliquer la première expérience d’astrophysique de laboratoire : l’expérience de Buffon sur l’âge de la Terre
A partir de 1767, Georges-Louis Leclerc de Buffon (1707-1788) a développé une série d’expériences dans des forges en Bourgogne visant à déterminer l’âge de la Terre [1]. De l’analyse des résultats expérimentaux, il déduira, le passé, le présent et le futur de la Terre et de toutes les planètes du système Solaire [2]. Ces expériences historiques sont révolutionnaires pour deux raisons. La première, très connue, est liée au fait que cette série d’expériences ouvre le chemin de la détermination expérimentale de l’âge de la Terre. La seconde, moins connue, est liée au fait que Buffon, dans ses déductions, a posé toutes les bases conceptuelles d’un domaine récent [3], l’astrophysique de laboratoire, qui s’est développé à la fin du XXème siècle avec l’avènement des nouveaux lasers de puissance [4].
Étant donné l’importance historique de ces expériences, un projet a été développé, le projet BUFFON22 (2020-2022), au cours duquel nous avons répliqué, en septembre 2022, l’expérience la plus emblématique de la série que le savant des Lumières a réalisée : l’expérience des boulets de fer.
Après avoir rappelé le modèle cosmologique de Buffon, nous présenterons la description du protocole expérimental que l’on a pu déduire de la lecture de l’Histoire Naturelle. Nous discuterons alors les adaptations nécessaires pour une réplication moderne. L’utilisation d’outils de mesures modernes (caméra infrarouge) a permis l’acquisition de données expérimentales inédites dont les résultats ont été comparés aux mesures du XVIIIème siècle. Enfin, nous montrerons qu’une modélisation théorique du refroidissement des boulets n’est possible qu’avec une physique du XIXème siècle, en particulier, la compréhension de la théorie du corps noir.[1] Histoire Naturelle générale et particulière, suppl. tome I, 1er et 2nd mémoires, (1774)
[2] Histoire Naturelle générale et particulière, tome II, Suppl. Théorie de la Terre, 1er mémoire, (1775)
[3] Falize E. et al., Les Cahiers Clairaut, n°174, (2021)
[4] Remington B., Drake R. P. & Ryutov, D. D., Rev. Modern Phys., 78, 755 (2006)Orateur: Emeric FALIZE (CEA-DIF) -
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La « démonstration expérimentale de la loi générale des interférences lumineuses » par Thomas Young.
Outre les 150 ans de la SFP, l’année 2023 marque le 250e anniversaire de Thomas Young (1773-1829), savant polymathe qui a démontré le rôle du cristallin dans l'accommodation, inventé et mesuré pour la première fois la longueur d'onde lumineuse, établi la première théorie des réseaux de diffraction, introduit le concept de module d'élasticité et déchiffré les cartouches de la pierre de Rosette.
Mais qui a aussi et surtout inventé le principe des interférences lumineuses (en 1801) et discrètement publié (en 1807) la fameuse expérience "des fentes", souvent présentée comme l'expérience démonstrative par excellence de la nature ondulatoire de certaines entités physiques.
Or, Thomas Young avait déjà présenté, en 1803, une autre expérience qu'il considérait être une "démonstration expérimentale de la loi générale des interférences lumineuses". On proposera donc de présenter cette première expérience, avant de l’utiliser comme support à une courte réflexion épistémologique sur le véritable pouvoir démonstratif de l’expérience.
Orateur: Olivier MORIZOT (Centre Gilles Gaston Granger) -
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1823 - 2023: bicentenaire de la lentille de Fresnel
En juillet 1823, le phare de Cordouan est le premier à être équipé d’une lentille à échelons, à l’initiative d’Augustin Fresnel. C’est l’occasion, 200 ans plus tard, de mettre en lumière cette invention qui fit de la France la référence incontestée en matière d’optiques de phares. Ce « bicentenaire de la lentille de Fresnel », soutenu par le secrétariat d’état chargé de la mer, sera célébré tout au long de l’année 2023, notamment sous forme d’animations dans de nombreux phares de France.
Pour le physicien, Augustin Fresnel est d’abord celui qui a su imaginer et mettre en œuvre des expériences venant conforter la nature ondulatoire de la lumière. C’est lui qui, avec ses interférences générées par des miroirs ou un biprisme, vient mettre fin aux dernières interprétations corpusculaires de l’expérience des fentes d’Young. Mais comment ce physicien préoccupé par la nature profonde de la lumière se retrouve-t-il à changer définitivement l’efficacité des phares maritimes ?
Augustin Fresnel entre à l’École Polytechnique en 1804, à 16 ans. Il intègre l’école des Ponts et Chaussées deux ans plus tard, et devient ingénieur des Ponts et Chaussées en 1809. Durant six ans, il construit des villes et des routes en Vendée, dans la Drôme et en Ille-et-Vilaine. Il s’intéresse déjà à l’optique, par curiosité, en amateur, mais ses fonctions ne lui laissent pas le temps de s’y consacrer sérieusement.
Les péripéties historiques (les Cent Jours de Napoléon, en 1815) lui donnent l’occasion de travailler sur la théorie de la lumière, puis de se lier d’amitié avec Arago et Ampère. Et c’est Arago, nommé à la commission des Phares en 1815, qui offre à Fresnel un poste dans cette même commission en 1819, afin de lui permettre de remplir ses obligations professionnelles (désormais à Paris) tout en poursuivant ses travaux sur la nature de la lumière.
Fresnel n’est pas l’inventeur de la lentille à échelons : Buffon en eut le premier l’idée 70 ans plus tôt, Brewster s’y intéressa aussi 30 ans plus tôt. Mais c’est Fresnel qui eût l’idée de faire réaliser la lentille en plusieurs morceaux, ce qui permit sa réalisation pratique, et d’en équiper les phares, pour remplacer les miroirs paraboliques. Fresnel est donc incontestablement l’inventeur du phare à lentille, ce qui le conduisit à grandement améliorer les lentilles à échelons, en les complétant avec des optiques catadioptriques (des prismes à réflexion totale) pour capturer encore plus de la lumière émise par la source (des lampes à huile, à l’époque).
Le succès de l’invention d’Augustin Fresnel doit aussi beaucoup à François Soleil, l’opticien qui releva le défi de la fabrication des lentilles de Fresnel. Son fils, Jean-Baptiste Soleil, était quant à lui réputé pour ses prototypes scientifiques, utilisés à l’époque pour l’étude de la diffraction et de la polarisation. La Maison Soleil a traversé les siècles pour arriver jusqu’à nous sous le nom de Jobin-Yvon, fusionnée avec le groupe Horiba en 1997.Orateur: Daniel HENNEQUIN (CNRS) -
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La Physique à Lyon : une galerie de portraits depuis Ampère
A l’occasion du 150ème anniversaire de la Société Française de Physique (SFP), sa section Rhône s’est associée à l’Académie de Sciences, Belles Lettres et Arts de Lyon et au laboratoire S2HEP de l’Université Lyon 1 afin d’écrire un ouvrage retraçant l’histoire et le développement de la physique à Lyon pendant deux siècles environ jusqu’aux années 1970. Cet ouvrage rend hommage au travail d'une trentaine de femmes et d'hommes ayant contribué de manière significative à l'avancement de la physique à Lyon et dans les régions environnantes, que ce soit par leurs découvertes remarquables ou leur rôle essentiel dans la structuration des laboratoires de recherche
Nous présenterons les principaux éléments ayant servi à élaborer cet ouvrage et évoquerons quelques aspects de personnalités marquantes telles qu’André-Marie Ampère, Jules Viole, Louis Georges Gouy, Marie Bloch, Jean Dufay, Jean Thibaud, Henri Longchambon, Françoise Gaume, Maurice Dufay, Jean-Marie Mackowski, …Orateur: Alfonso SAN MIGUEL -
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Histoire de la physique à l’université de Poitiers
Le premier professeur de physique de l’université de Poitiers a été nommé au moment de la création de la faculté des sciences par le décret du 29 novembre 1854. La faculté des sciences de Poitiers est alors composée de quatre membres : un professeur par discipline (mathématiques, physique, chimie et histoire naturelle). Les premières années les cours dispensés seront surtout des conférences de vulgarisation à destination d’un public très divers. En 1890 la faculté des sciences et la faculté de droit organisèrent conjointement un programme d’enseignement supérieur de l’agriculture, le département de la Vienne étant à l’époque essentiellement rural.
Un certain nombre de professeurs de physique vont se succéder au cours de la fin du XIX et début du XXeme siècle. Le Pr Trouessard fondateur de la faculté, le Pr Lallemand et le Pr Garbe qui travaillaient sur l’optique des matériaux le Pr Delvalez qui fera la première radiographie médicale à Poitiers en 1896 un an après la découverte des rayons X par W. Roentgen à la demande du professeur de médecine de l’époque M. Buffet-Delmas, puis le Pr Turpain qui travailla sur la transmission par ondes électromagnétiques ce qui lui permettra de réaliser la première transmission d’un signal par onde hertzienne deux ans avant Marconi.
S’il existe une histoire de l’université de Poitiers jusqu’en 1932 sur laquelle il est possible de se baser pour évaluer l’activité de recherche et d’enseignement rassemblée par M. Boissonnade, les années suivantes aux cours desquelles, de plus, se sont grandement diversifiées les activités et les personnels sont plus difficiles à décrypter jusqu’aux années soixante à partir desquelles il est à nouveau, plus aisé de trouver des témoignages de l’époque.
Toutes ces activités ont néanmoins laissé un patrimoine matériel et immatériel assez important. Après une phase de recollement qui nous a permis de faire un inventaire des collections qui ont été plus ou moins dispersées au gré des déménagements de la faculté des sciences, différentes opérations de valorisation de ce patrimoine sont en cours.Orateur: Jerome Pacaud (Université de Poitiers, Institut Pprime UPR 3346 CNRS) -
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Joseph Boussinesq et la tubulence
Joseph Boussinesq (1842-1929) a publié en 1877 une expression connue actuellement sous le nom de fermeture des équations de Navier-Stokes à base de viscosité turbulente. Cette fermeture, qui exprime le tenseur de Reynolds en fonction du tenseur de déformation moyen, est encore au cœur d’un grand nombre de modèles utilisés en ingénierie, dans la modélisation de la dynamique océanique et atmosphérique. Nous considérons ici plusieurs aspects autour de ces travaux. Tout d’abord la dérivation de cette fermeture et les hypothèses nécessaires à celle-ci, ainsi que les modèles alternatifs faisant appel à une approche non-locale. Ensuite, en constatant que Boussinesq, dans ses nombreux écrits sur la dynamique des fluides turbulents utilisait des adjectifs comme « écoulement tumultueux » ou « sinueux », nous nous intéressons aussi à la première introduction du mot « turbulence » en mécanique des fluides et comment le terme a progressivement été adopté dans la littérature scientifique.
Orateur: Francois SCHMITT (CNRS-LOG)
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REDP1 Enseignement de la physique et gamification Salle Yvette Cauchois
Salle Yvette Cauchois
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Science Jeu vidéo
Je présenterai les travaux de la chaire Science et Jeu vidéo de l'Ecole polytechnique, marrainée par la société Ubisoft. Son projet central est le jeu vidéo Reveal, destiné à donner des notions d'une science complexe, la physique des particules, à un public le plus large possible. Par ailleurs, la chaire nourrit de nombreux projets étudiants et leur enseigne à réaliser des jeux vidéo ou tout autre prototype interactif numérique. Elle organise également des événements où scientifiques et experts de l'industrie se rencontrent. Je concluerai sur les grands atouts du vecteur vidéoludique pour populariser ou enseigner les sciences.
Voir https://sciencexgames.fr & https://www.youtube.com/@sciencexgamesOrateur: Raphael GRANIER DE CASSAGNAC -
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La gamification au service de l’innovation pédagogique en physique
Le consortium Ikigai Games for Citizens regroupant universités, grandes écoles, laboratoires de recherche, missionné par la Direction du numérique pour l’éducation et le Ministère de l’enseignement supérieur, de la recherche et de l’innovation pour le développement de la gamification dans l’enseignement supérieur, propose un mini colloque animé par Bertrand Laforge, professeur à Sorbonne Université et président d’Ikigai Games for Citizens. Ce mini colloque de 30mn aura pour objet la présentation de deux jeux vidéo pédagogiques sur la physique et plus largement sur la démarche du consortium :
Stranger Fields
Objectifs pédagogiques : Développer un sens physique des relations entre forces et vitesse dans la formation d'une trajectoire. Aider à la construction d'une représentation mentale d'un phénomène physique approché soit par le paradigme des forces soit via une formulation énergétique (énergies potentielle et cinétique). Développer le sens physique et l'analyse de situation. Comprendre les transferts entre énergie potentielle et cinétique dans une situation de conservation de l'énergie mécanique. Utilisé à Sorbonne Université en enseignement de Physique L1.
Fiche pédagogiqueWaterline
Objectifs pédagogiques : Utiliser l'analogie hydro-électrique pour aider les étudiants et les étudiantes à se forger une représentation de ce qu'est un courant électrique, du rôle de la tension dans la circulation des charges, de la différence entre un régime continu et alternatif. Utilisé à Sorbonne Université en enseignement de Physique L1.
Fiche de pédagogiqueCe mini-colloque offre aux enseignants du supérieur et aux didacticiens la possibilité de découvrir et d’échanger sur les vertus de la gamification comme outil favorisant la compréhension de phénomènes physiques dans le cadre des formations. Les mécaniques de jeux innovantes (rhétorique procédurale) présentées à cette occasion ont pour spécificité un développement sur mesure pour les disciplines concernées. L’intervention orale sera accompagnée d’un poster de présentation d’Ikigai Games for Citizens dont le fonctionnement collaboratif offre des solutions aux problèmes classiquement rencontrés au sein des établissements pour réunir les compétences nécessaires au développement de l’innovation en ludopédagogie numérique.
Orateur: Prof. Bertrand Laforge (Games For Citizens, Sorbonne Université) -
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Faire découvrir le tableau périodique aux élèves avec Mendeleieva
L’année de la chimie en 2019 et la célébration des 150 ans du tableau périodique des éléments de Mendeleïev ont été l’occasion de réaliser le jeu Mendeleïeva, une production commune des équipes de Femmes & Sciences des régions Alsace et Occitanie Ouest. Il fait découvrir de manière ludique 135 femmes scientifiques, historiques ou contemporaines, dont les recherches portent sur un ou des élément(s) du tableau périodique.
Il s’agit à la fois d’un tableau de Mendeleïev garni d’échantillons et produits contenant l'élément considéré, et d’un jeu de cartes associé, par familles de domaines : physique, chimie, sciences de la terre, maths et informatique, sciences de la vie… C'est ainsi un excellent outil pour faire découvrir les éléments chimiques et la variété des recherches effectuées et des utilisations faites par les élèves sans s'en apercevoir à tout moment de leur vie (téléphone, feux d’artifice etc.).Au-delà des aspects scientifiques abordés, le jeu Mendeleïeva permet de parler des différents statuts et métiers de la recherche. Il contribue ainsi à donner un autre éclairage aux jeunes sur leur orientation. De plus, si les ateliers sont animés par des membres (ou des sympathisant.es) de Femmes & Sciences, ils sont l'occasion de discuter avec des scientifiques en très petit groupe (5-6 élèves) et de démystifier leur rapport à la recherche.
Depuis son inauguration lors de la Fête de la science, cet atelier interactif a été animé dans de multiples écoles, collèges et lycées et au cours d’occasions particulières (fêtes de la science, événement à l'occasion de la journée des femmes scientifiques (12 février) ou de la la journée du droit des femmes (8 mars), portes ouvertes...). Il a rencontré un accueil enthousiaste tant de la part des jeunes que des parents.
De plus, nous avons développé une version numérique du jeu avec le soutien de la plateforme "Ikigaï : Games for citizens". Vous pouvez la tester en allant sur :
https://www.femmesetsciences.fr/mendeleieva-en-ligne.Une extension du jeu est de faire compléter le contenu des tiroirs (ou de créer de tels tiroirs au collège) par les élèves. Ils partent alors dans une chasse aux objets qui les amène à regarder autrement les objets qui les entourent en cherchant leur composition. Ils peuvent aussi chercher sur internet les utilisations ou des femmes scientifiques en rapport avec cet élément.
Ce sont toutes ces facettes du jeu que je présenterai pendant ma contribution orale.
Orateur: Véronique PIERRON-BOHNES (IPCMS + Femmes & Sciences Strasbourg) -
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Des outils numériques en support à l'enseignement de la physique
Les journaux se font régulièrement l’écho de la baisse du niveau mathématique parmi les élèves français. Ce constat se fait sentir dès les premières années de l’enseignement supérieur avec des étudiantes et étudiants qui peinent à utiliser l’outil mathématique, pourtant indispensable en Licence de Physique notamment.
Les bases acquises dans le secondaire sont friables de sorte que les élèves n’ont pas, ou que très peu, construit de représentations mentales des outils de bases comme la géométrie en 3 dimensions, l’analyse vectorielle, l’analyse complexe pour ne citer que celles requises en première année de Licence de Physique. Cette étape est néanmoins le pré-requis nécessaire avant de maîtriser la technique derrière les outils mathématiques : se représenter, conceptualiser les objets qu’on manipule pour mieux les exploiter.
Que ce soit en soutien à la révision des notions physiques ou mathématiques découvertes dans le secondaire ou en support à celles découvertes dans le supérieur, l’outil numérique, dont chacun fait un usage régulier, constitue une aide précieuse surtout s’il est employé pour rendre l’élève actif, pour l’interroger, pour le rendre maître de la situation.
Un moyen de guider l’élève dans la représentation qu’il ou elle peut construire des outils mathématiques (et ainsi faciliter leur assimilation) réside dans les applications JavaScript accessibles pour tout un chacun depuis le Web. De nombreuses applications existent déjà et permettent d’illustrer un cours sur des thématiques aussi diverses que les oscillateurs, la cristallographie, ou l’émission du corps noir. L’Université Clermont Auvergne complète le catalogue de ces applications notamment à travers une UE libre visant à initier les novices aux dessous d’une page web et challenger les experts dans le développement d’applis à visée pédagogique.
En complément, la Réalité Augmentée est un autre outil maintenant accessible depuis n’importe quel terminal mobile pour lier un déclencheur (par exemple une page du fascicule de cours) à un contenu vidéo que l’élève choisira de visionner ou à un contenu applicatif que qu’il ou elle choisira de manipuler pour parfaire sa compréhension.
Avec la démocratisation des outils de réalité immersive, il devient pensable de développer des applications pédagogiques en Réalité Virtuelle. Cette approche permet non seulement de parfaire sa compréhension des enseignements à travers une pratique ludique mais aussi d’accéder à l’illusion de la 3ème dimension ce qui est un atout indéniable dans l’appropriation de nombreux pans de la physique. L’Université Clermont Auvergne finance à travers un programme d’innovation pédagogique le projet Physique en immersion qui développe un catalogue d’applications immersives de soutien pédagogique pour les différentes thématiques de physique dont l’outillage mathématique est peu maîtrisé ou mal compris.Orateur: Eric Cogneras (UCA / LPC Clermont-Ferrand) -
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Espace table-ronde
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Cocktail d'inauguration Le Loft (Cité des Sciences et de l'Industrie)
Le Loft
Cité des Sciences et de l'Industrie
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08:00
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08:00
Accueil - Inscriptions Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Mini-colloques: MC11 La matière nucléaire : du laboratoire au cosmos: 1 Salle Louis Armand Est
Salle Louis Armand Est
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Probing the equation of state of dense matter with neutron stars: constraints from nuclear physics
Neutron stars are unique laboratories to probe matter in extreme conditions that cannot be currently reproduced on Earth. Nuclear physics experiments, in tandem with astrophysical observations, can give valuable insight into the properties of dense matter encountered in these stellar objects.
In this contribution, various constraints on the equation of state of dense matter will be discussed, focusing on those coming from nuclear physics. In particular, these constraints include atomic masses, the analysis of experimental data from heavy-ion collisions, neutron skins in nuclei, dipole polarizability measurements, as well as microscopic calculations of homogeneous neutron matter and symmetric nuclear matter.
The prediction of neutron-star observables obtained with different equations of state will be discussed in connection with recent (multi-messenger) astrophysical observations.Orateur: Anthea Francesca Fantina (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL)) -
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La matière nucléaire : contraintes expérimentales avec le couplage INDRA-FAZIA au GANIL
The study of fragmentation reactions produced in heavy-ion collisions has permitted major advances in the understanding of the dynamics and thermodynamics of nuclear matter and is still one of the most promising tools to constrain its equation of state. This fundamental property in nuclear physics is also a crucial ingredient in the understanding of various astrophysical objects or phenomenon: dynamics of supernovae explosion and structure of the remanent neutron star, or interpretation of signals coming from neutron star mergers such as gravitational waves.
Up to now, a crucial ingredient was missing in most laboratory experiments: the isotopic composition of reaction products was only accessible for the lightest fragments with existing multi-detectors such as INDRA at GANIL (Caen, France). In this context, the FAZIA collaboration has developed a new generation detector able to measure the charge and mass of fragments up to Z=25 with a spectrometer-like resolution over a broad angular range. Since 2019, twelve FAZIA blocks are mounted in GANIL to replace the forward part of INDRA. The INDRA-FAZIA coupling is one of the most powerful detector to constrain the nuclear equation of state asymmetry term. The identification quality also allows to investigate nuclear collision dynamics, clusterization processes at low density, and light nuclei structure and decay modes.
In this presentation I will briefly present the unique features of the INDRA-FAZIA coupling and review the results obtained at GANIL in recent years.
Orateur: Diego GRUYER (LPC Caen) -
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The proto-neutron star inner crust in a multi-component plasma approach
Proto-neutron stars are born hot, with temperatures exceeding few $10^{10} $K. In these conditions, the crust of the proto-neutron star is expected to be made of a Coulomb liquid and composed of an ensemble of different nuclear species. In this work, we perform a study of the beta-equilibrated proto-neutron-star crust in the liquid phase in a self-consistent multi-component approach, which also allowed for a consistent calculation of the impurity parameter, often taken as a free parameter in cooling simulations. To this aim, we developed a self-consistent multi-component approach at finite temperature using a compressible liquid-drop description of the ions, with surface parameters adjusted to reproduce experimental masses. The treatment of the motion of the ion centre of mass was included through a translational free-energy term accounting for in-medium effects. The results of the self-consistent calculations of the multi-component plasma are systematically compared with those performed in a perturbative treatment as well as in the one-component plasma approximation.
We show that the inclusion of non-linear mixing terms arising from the centre-of-mass motion leads to a breaking in the ensemble equivalence between the one-component and multi-component approach. Our findings also illustrate that the abundance of light nuclei becomes important, and eventually dominates the whole distribution, at higher density and temperature in the crust. This reflects in the impurity parameter, which, in turn, may have a potential impact on neutron-star cooling. For practical application to astrophysical simulations, we also provide a fitting formula for the impurity parameter in the proto-neutron star inner crust. Our results obtained within a self-consistent multi-component approach show important differences in the prediction of the proto-neutron star composition with respect to those obtained with a one-component or perturbative multi-component approximations, particularly in the deeper region of the crust. This highlights the importance of a full self-consistent multi-component plasma calculation for reliable predictions of the proto-neutron-star crust composition.Orateur: Hoa Dinh Thi (LPC Caen) -
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Numerical modeling of core-collapse supernovae and neutron star formation
The gravitational collapse of massive stars that reach the end of their lives leads to the onset of powerful core-collapse supernova (CCSN) explosions that can be observed at cosmological distances.
Moreover, these events are the main formation sites of neutron stars and black holes of stellar size, which are not only unique laboratories to study the properties of matter in extreme physical conditions, but are also crucial players in explaining astrophysical high-energy sources of electromagnetic, neutrino and gravitational wave radiation.
The complexity of the physical processes that regulate CCSN (e.g. magnetohydrodynamics, neutrino-matter interactions, nuclear matter equations of state...) makes it an absolute necessity to rely on numerical simulations, which have now the capability of producing quantitative predictions for the explosion dynamics, the evolution of the young compact object forming at its center, and the multi-messenger emission associated with the explosive event.
In this talk I will present the current state-of-the-art of numerical simulations of CCSN and their potential in investigating some open issues in fundamental particle physics through the modeling of the neutrino and gravitational wave signals produced during the explosion.
I will then focus on recent results from simulation of magnetized and rotating supernovae, which are associated to the most energetic and violent stellar explosions and the formation of the most magnetized objects in the Universe, i.e. magnetars.Orateur: Matteo Bugli (UniTo - CEA Saclay) -
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Etude de la matière hadronique dense en collisions d’ions lourds
Les collisions d’ions lourds sont un outil unique pour étudier les propriétés de la matière hadronique, régies par la Chromodynamique Quantique (QCD), la théorie fondamentale de l’interaction forte. Suivant l’énergie des faisceaux, différentes régions du diagramme de phase de la QCD, en termes de température (T) et potentiel baryochimique (muB) peuvent être explorées.
Pour des grandes valeurs de T ou muB, une transition s’opère entre la phase hadronique où les quarks et gluons sont confinés dans les hadrons et une phase déconfinée, le plasma de quarks et de gluons. Aux énergies du Large Hadron Collider, au CERN, les expériences, notamment avec le détecteur ALICE, permettent de caractériser la phase de plasma quarks et gluons à muB=0, qui prédominait dans l’univers primordial, quelques micro secondes après le Big Bang.
D’autres expériences ou projets, par exemple, au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC à Brookhaven, USA), à GSI ou FAIR (Darmstadt en Allemagne) explorent le diagramme de phase de la QCD dans la région des potentiels baryochimiques finis, avec comme objectifs de localiser le point critique, d’étudier l’équation d’état de la matière hadronique et son contenu microscopique, en particulier la contribution des résonances baryoniques et des hypérons. Ces questions sont primordiales pour la description des processus de fusion d’objets stellaires compacts dont elles déterminent la forme des signaux gravitationnels et électromagnétiques.
Par ailleurs, les expériences de collisions d’ions lourds permettent aussi d’étudier les interactions nucléon-hypéron ou hypéron-hypéron, qui sont un ingrédient essentiel de la modélisation des étoiles à neutrons.
Ces exemples illustrent le rôle que peut jouer la physique hadronique dans la compréhension des phénomènes astrophysiques. Les principaux résultats expérimentaux et les projets du domaine seront présentés, en insistant sur les activités en cours à GSI.Orateur: Béatrice Ramstein -
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Heavy-Ion collisions and the low-density neutron star equation of state
Light nuclear clusters are expected to be ubiquitously present in astrophysical environments and play an important role in different astrophysical phenomena, but the estimation of their abundancy requires to correctly estimate the in-medium modification of their binding energy. This can be achieved in a phenomenological way, if theoretical models are calibrated to experimental data from heavy-ion collisions in the Fermi energy regime, where these same clusters are produced in comparable density and temperature conditions.
A useful observable to pin down the in-medium effects is given by the measurement of chemical constants (KC). Recently, KC were extracted from Xe+Sn 32 A MeV INDRA data using Bayesian inference. KC measurements concern light particles emitted at mid-rapidity (gas of nucleons and clusters in equilibrium). A fit of those data was performed within different versions of the Relativistic Mean Field model. Interestingly, once the in-medium coupling was fixed to reproduce the experimental data, the different models were shown to produce compatible predictions concerning the location of the Mott dissolution density of the clusters in the dense medium.
Orateur: Rémi BOUGAULT (LPCCaen/ENSICaen) -
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Magnetic fields and pasta phases reexamined
In this work, we compute the structure and composition of the inner crust of a neutron star in the presence of a strong magnetic field, such as it can be found in magnetars.
To determine the geometry and characteristics of the crust inhomogeneities, we consider the compressible liquid drop model, where surface and Coulomb terms are included in the variational equations, and we compare our results with previous calculations based on more approximate treatments.
For the equation of state (EoS), we consider two non-linear relativistic mean-field models with different slopes of the symmetry energy, and
we show that the extension of the inhomogeneous region inside the star core due to the magnetic field strongly depends on the behavior of the symmetry energy in the crustal EoS.
Finally, we argue that the extended spinodal instability observed in previous calculations can be related to the presence of small amplitude density fluctuations in the magnetar outer core,
rather than to a thicker solid crust. The compressible liquid drop model formalism, while in overall agreement with the previous calculations, leads to a systematic suppression of the metastable solutions, thus allowing a more precise estimation of the crust-core transition density and pressure, and therefore a better estimation of the crustal radius.Orateur: Luigi Scurto (University of Coimbra, LPC Caen)
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Mini-colloques: MC05 Physico-chimie des environnements atomiques et moléculaires froids et ultra froids: 1 Salle Violette Brisson
Salle Violette Brisson
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Near-thresholds inelastic collisions of water isotopes
Water is the third most abundant molecule in the interstellar medium (ISM) and has ubiquitously been observed by ground- and space-based telescopes since its first detection in 1969 in the Orion nebula [1]. Thus water is a key molecule for the understanding of the energy balance and the physical-chemical processes that occur in these environments. Its principal collision partner obviously is H2 because of its high abundance in ISM. Therefore, an accurate description of H2O-H2 collision dynamics is required at low temperature/energy, where the quantum nature of interaction may be revealed by the observation of resonances (Feshbach or shape/orbiting) [2].
The first rotational excitations of the water isotopologues by collisions with H2 were observed in the near-cold regime in a crossed-molecular beam apparatus (CMB). The experimental scattering cross-sections were compared with the theoretical calculations performed on the potential energy surface of Valiron et al. [3], both at the state-to-state level and at low collision energy (near rotational thresholds) [4-6]. The different dynamical behaviors of H2O, D2O and HOD, colliding with normal- or para-H2 will be presented.
Acknowledgements: This research has been supported by the Programme National Physique et Chimie du Milieu Interstellaire (PCMI) of CNRS/INSU with INC/INP co-funded by CEA and CNES and the Agence National de la Recherche, grant number ANR-20-CE31-0011 Waterstars.
References
[1] E. F. van Dishoeck, E. Herbst, D. A. Neufeld, “Interstellar Water Chemistry: From Laboratory to Observations” Chem. Rev. 113, 9043-9085 (2013).
[2] Book: “Cold Chemistry: Molecular Scattering and reactivity Near Absolute Zero”, Ed. O. Dulieu and A. Osterwalder, RSC (2017).
[3] P. Valiron et al., “R12-calibrated H2O – H2 interaction: Full dimensional and vibrationally averaged potential energy surfaces” J. Chem. Phys. 129, 134306 (2008).
[4] Bergeat A. et al., “Low-Energy Water−Hydrogen Inelastic Collisions” J. Phys. Chem. A 124, 259-264 (2020).
[5] Bergeat A. et al., “Probing Low-Energy Resonances in Water-Hydrogen Inelastic Collisions” Phys. Rev. Lett. 125, 143402(2020)
[6] Bergeat A. et al., Near-threshold and Resonance Effects in Rotationally Inelastic Scattering of D2O with normal-H2” Molecules 27, 7535(2022)Orateur: Astrid BERGEAT (Institut des Sciences Moléculaires, Université de Bordeaux/CNRS/INP) -
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Theoretical dynamics of the S(1D)+H2 reaction in conditions approaching the cold regime.
The title reaction, widely studied both experimentally and theoretically, has become a benchmark for insertion barrierless reactions [1]. Its dynamics is considered here for collision energies of a few tens of Kelvin. In this energy regime, major quantum effects arise. The aim of the talk is to show how they can be taken into account in the classical trajectory description of the dynamics without modifying the trajectories themselves, so as to keep with the simplicity of the classical trajectory method [2]. These quantum effects are: a) the quantization of reagent and product internal motions [2], b) an original effect called diffraction mediated trapping [2] and c) the quantization of the activated complex states [3]. The inclusion of quantum constraints in the analysis of classical trajectory outcomes is particularly important for polyatomic reactions since quantum scattering calculations are still beyond reach for most of them.
[1] M. Lara, F Dayou, J.-M. Launay, A. Bergeat, K. M. Hickson, C. Naulin and M. Costes, Observation of partial wave structures in the integral cross section of the S(1D2) + H2 (j=0) reaction, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 8127.
[2] L. Bonnet, P. Larregaray, M. Lara and J.-M. Launay, Theoretical Study of Barrierless Chemical Reactions Involving Nearly Elastic Rebound: The Case of S(1D) + X2, X = H, D, J. Phys. Chem. A 2019, 123, 6439.
[3] L Bonnet, C. Crespos and M. Monnerville, Chemical reaction thresholds according to classical-limit quantum mechanics, J. Chem. Phys. 2022, 157, 094114.Orateur: Laurent BONNET (ISM-Université de Bordeaux) -
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LOW TEMPERATURE QUANTUM DYNAMICS OF OXYGEN EXCHANGE REACTIONS INVOLVING 17O
Context: Molecular oxygen is peculiar of Earth’s atmosphere and the precursor of stratospheric ozone which absorbs most of the Sun UV radiations. Oxygen isotopic analysis allows one to trace back the origin of elements constituting Solar system primitive materials, like meteorites and comets. O$_2$ and O$_3$ formed from $^{16}$O isotope are dominant, thereby giving a reference for any process involving oxygen. A strong enrichment, about 10% greater than that following usual fractionation rules, of O$_3$ in both $^{18}$O and $^{17}$O, the so-called mass-independent fractionation (MIF), has first been observed decades ago in primitive chondrites and stratosphere [1,2], and since reproduced in laboratory experiments [3]. However, its proper quantum mechanical explanation has never been attained. Ozone is the stabilized form of the oxygen exchange reaction O + O$_2$ $\to$ O$_3^*$ $\to$ O$_2$ + O intermediate O$_3^*$. The study of the latter with $^{17}$O-enriched isotopomers of O$_2$ is thus important for a full understanding of heavy O$_3$ formation. The $^{34}$O$_2$ species has already been investigated in collision with He [4], in the context of buffer gas cooling and subsequent magnetic trapping allowed by its $S=1$ electronic spin. Furthermore, the nonzero nuclear spin of $^{17}$O, $I=5/2$, makes it a suitable candidate for further study at ultra-low temperatures, in the presence of a magnetic field.
Methodology: We have used a high quality ab initio potential energy surface [5] to perform computationally intensive full quantum investigation of the dynamics of this scattering process.
Results: We shall present cross sections and rate constants [6,7,8] for the $^{17}$O + $^{32}$O$_2$,
$^{16}$O + op$^{34}$O$_2$ and $^{17}$O + op$^{34}$O$_2$ reactions. We will discuss observed isotope effects, and the importance of symmetry in relation to nuclear spin and ortho-para conversions [8].References:
[1] R. N. Clayton, L. Grossman, L. K. Mayeda ‘A component of primitive nuclear composition in carbonaceous meteorites’ Science 182 (1973) 485
[2] K. Mauersberger ‘Measurement of heavy ozone in the stratosphere’ GRL 8 (1981) 935-937
[3] M. H. Thiemens, J. E. Heidenreich, III ‘The mass-independent fractionation of oxygen: a novel isotope effect and its possible cosmochemical implications’ Science 219 (1983) 1073-1075
[4] J. Bohn ‘Cold collisions of O$_2$ with He’ PRA 62 (2000) 032701
[5] R. Dawes, P. Lolur, A. Li, B. Jiang, H. Guo ‘Communication : An accurate global potential energy surface for the ground electronic state of ozone’ JCP 139 (2013) 201103
[6] G. Guillon, P. Honvault, ‘Quantum dynamics of the $^{17}$O + $^{32}$O2 collision process’ JPCA 120 (2016) 8254
[7] G. Guillon, P. Honvault, ‘Quantum dynamics of $^{16}$O in collision with otho- and para-$^{17}$O$^{17}$O’ CPL 689 (2017) 62
[8] G. Guillon, M. Lepers, P. Honvault ‘Quantum dynamics of $^{17}$O in collision with otho- and para-$^{17}$O$^{17}$O’ PRA 102 (2020) 012810Orateur: Gregoire Guillon (ICB UMR6303 CNRS/uB) -
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Two-photon optical shielding of collisions between ultracold polar molecules
We propose a method to engineer repulsive long-range interactions between ultracold ground-state molecules using optical fields, thus preventing short-range collisional losses. It maps the microwave coupling recently used for collisional shielding onto a two-photon transition, and takes advantage of optical control techniques. In contrast to one-photon optical shielding [Phys. Rev. Lett. 125, 153202 (2020)], this scheme avoids heating of the molecular gas due to photon scattering. The proposed protocol, exemplified for 23Na39K, should be applicable to a large class of polar diatomic molecules.
Orateur: Maxence LEPERS (CNRS/Laboratoire ICB) -
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Spectroscopie moyen-infrarouge de haute précision de molécules polyatomiques froides
Le refroidissement par collisions avec un gaz tampon à température cryogénique, dit refroidissement CBG (“cryogenic buffer gas” cooling), est une technique de choix pour refroidir à quelques Kelvin des molécules en phase gaz. Cette technique a été appliquée à divers types d’espèces, majoritairement des molécules diatomiques et radicaux légers, mais aussi quelques molécules plus complexes [1]. La spectroscopie d’échantillons refroidis peut être effectuée directement en cellule froide ou en jet moléculaire issue de cette cellule.
Nous développons une expérience de spectroscopie moyen-infrarouge de très haute précision pour des tests de physique fondamentale, e.g test de la brisure de la symétrie de parité avec des molécules chirales contenant des atomes lourds (Rhénium, Ruthénium, Irridium, Osmium) [2,4,5], test de la variation de la masse de l’électron sur la masse du proton [3] sur le méthanol et l’ammoniac. Les précisions spectroscopiques nécessaires peuvent être atteintes par interférométrie de Ramsey sur des jets froids, lents et intenses de ces espèces complexes préalablement refroidies par CBG [5].
Nous avons démontré le refroidissement CBG du méthyltrioxorhénium (MTO), un complexe organométallique, précurseur de dérivés chiraux possédant des transitions rovibrationnelles particulièrement sensibles à la violation de la parité. La mise en phase gaz de cette molécule, solide à température ambiante et peu volatile, a été effectuée par ablation laser, une technique jusqu’ici limitée à des molécules diatomiques. Le refroidissement CBG du trioxane, une espèce également solide à température ambiante mais plus volatile, a également été démontré après injection de sa vapeur dans la cellule cryogénique. Un jet issu de la cellule a de plus été réalisé. Des mesures spectroscopiques de précision, permettant de résoudre les structures rotationnelles et hyperfines, ont été effectuées sur ces 2 espèces avec un laser à cascade quantique à 10.2 µm. Nous avons sondé l’élongation Re=O du MTO [5] par absorption linéaire, ainsi que le mode d’élongation C-O symétrique du trioxane. Pour ce dernier, des signaux d’absorption saturée sous-Doppler, une technique idéale pour des mesures de précision, ont également été mesurés, et constituent une première dans le moyen infrarouge pour une molécule refroidies par CBG.
Références
[1] Spaun, et al. "Continuous probing of cold complex molecules with infrared frequency comb spectroscopy." Nature 533.7604 (2016).
[2] Fiechter, et al. "Toward Detection of the Molecular Parity Violation in Chiral Ru(acac)3 and Os(acac)3." JPCL 13.42 (2022).
[3] Shelkovnikov, et al. "Stability of the proton-to-electron mass ratio." PRL 100.15 (2008).
[4] Cournol et al, “A new experiment to test the parity symmetry in cold chiral molecules using vibrational spectroscopy”, Quantum Electron 49.288 (2019)
[5] Tokunaga et al. "High-resolution mid-infrared spectroscopy of buffer-gas-cooled methyltrioxorhenium molecules." NJP 19.5 (2017).Orateur: Mathieu Manceau (Laboratoire de physique des lasers, université Sorbonne Paris nord) -
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Precision measurement of atom-dimer interaction in a uniform planar Bose gas
Understanding few-body interactions remains challenging and we are usually limited to systems close to the unitary regime. Cold quantum gases can give rise to samples where isolated atoms coexist with dimers or trimers. Their low temperature allows then to perform high precision spectroscopy of the effects of interactions between the different constituents.
We report on microwave photoassociation in a degenerate gas of rubidium 87 atoms to create weakly bound dimers in their electronic ground level. We determine the complete energy diagram of one hyperfine manifold of the least-bound level, which we accurately reproduce with a simple model. Then, using the density-induced shift of the photoassociation line, we measure the atom-dimer scattering length for two weakly bound states of the molecular potential.Orateur: Chloé Maury -
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Time-Resolved Observation of the Solvation Dynamics of a Rydberg Excited Molecule Deposited on an Argon Cluster
The real-time dynamics of DABCO-argon clusters is investigated in a femtosecond pump-probe experiment where the pump excites DABCO to the S$_1$ state within the argon cluster. The probe operates by photoionization and documents the energy and angular distributions of the resulting photoelectrons. The dynamics is followed up to 500 ps. A multiscale dynamics is observed. It includes a short time dynamics where the molecule jump between two solvation sites (timescale 0.27 ps) followed by the relaxation of the solvation cage excess vibrational energy (timescale 14 ps) and then by that of DABCO (timescale $>$150 ps).
Orateur: Lionel POISSON (ISMO)
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Mini-colloques: MC12 Le mélange de saveurs en physique de particules : la recette pour des nouvelles découvertes ?: 1 Salle Cécile Renault
Salle Cécile Renault
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Searching a signal beyond the Standard Model in flavour physics
Flavour physics played an important role for the establishment of the Standard Model (SM) of particle physics. Charge-Parity (CP) violations or suppressions of the Flavour Changing Neutral Current (FCNC) are indeed naturally explained by the SM. In modern particle physics experiments with much higher luminosities, flavour physics aims at the discovery of signals from physics beyond the SM, in particular excessive FCNCs or CP violations. We will review flavour physics beyond the SM from a theoretical point of view. We will especially focus on the questions: “what signals are we expecting?” or “ is there any connection between quark and lepton sectors?”.
Orateur: Emi Kou (LAL) -
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CP violation and precise PMNS parameter measurements using Long Baseline and Atmospheric neutrino in T2K, Super- and Hyper-Kamiokande
The oscillations of neutrinos was discovered only 2 decades ago, when the Super-Kamiokande collaboration observed the disappearance of atmospheric neutrinos. In less than two decades, the physics of neutrino oscillations has been the fertile field for tremendous progresses. In 2012 and 2013
respectively, Daya Bay, Reno and T2K (Toka-To-Kamioka) completed the first puzzle of neutrino oscillations by measuring the last mixing angle of the PMNS matrix, θ13 . Far from closing an era, these experiments opened a more promizing one. Their measurements of a non-zero θ13 allowed the
CP symmetry to be violated in the lepton sector and with it, opened the possibility to explain the asymmetry between matter and antimatter that is currently observed in our universe.Since 2013, T2K and Super-Kamiokande has been the pioneer experiment that tackled this fundamental question, as well as perform the precise measurement of the PMNS matrix parameters. In the first part of this talk, we will present the contributions of these two experiments to these fantastic quests using the long-baseline (accelerator) and atmospheric neutrinos. We will then present the coming successor of these experiments, Hyper-Kamiokande, which aims to take its very first data in 2027. We will present the Hyper-Kamiokande physics potential, which will allow us to completely enter the neutrino precision physics era and hopefully, observe CP violation in the lepton sector for
the very first time.Orateur: Benjamin QUILAIN (CNRS IN2P3, Ecole Polytechnique, Laboratoire Leprince-Ringuet) -
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Beyond the PMNS paradigm with neutrino oscillations
Over the last 25 years since the discovery of neutrino oscillations, the standard PMNS paradigm, mirroring the CKM mixing in quarks, has been consolidated and is able to describe almost all neutrino oscillation data. With this consolidation, neutrino oscillation physics is entering a new era of precision measurements in search for subdominant contributions that may hint at new physics. In this contribution I will discuss the prospects for searches for new physics in the next generation of neutrino oscillation experiments.
Orateur: Joao Coelho (CNRS / APC - Paris) -
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CP within Standard Model and Beyond at LHCb and Belle2
The violation of the Charge and Parity symmetries (CP) is a necessary conditions
to explain the imbalance between matter and antimatter in our universe. In the
Standard Model the phase of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix is the
only source of CP violation, it is however orders of magnitudes too small to
explain the observed imbalance. 2023 marks not only the 150th anniversary of the
SFP but also the 50th anniversary of the Kobayashi-Maskawa paper. Since then the
parameters of the CKM matrix have been measured with increasing accuracy by
several experiments. Overconstraining the parameters of this matrix via several
measurements is a formidable test of the Standard Model and can bring to the
discovery of physics beyond the standard Model and of new sources of CP
violation. In this talk the latest results by LHCb and Belle II will be
reviewed.Orateur: Giulio DUJANY (IPHC - CNRS, Strasbourg) -
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Kaon Physics: present and future
Kaon physics has been a source of many discoveries and was essential for the establishment of the Standard Model of particle physics as a viable theory of nature. In recent years the kaon physics community is concentrated on measuring the very rare $K \rightarrow \pi \nu \bar{\nu}$ decays, which are considered golden modes in flavour physics.
The charged $K^+ \rightarrow \pi^+ \nu \bar{\nu}$ decay mode is under investigation by the NA62 experiment at CERN. The NA62 experiment at CERN collected the world's largest dataset of charged kaon decays in 2016-2018 and restarted operation in 2021. NA62 will continue taking data until CERN Long Shutdown 3. The main goal is to measure the K+ → π+νν branching ratio with a precision of the order of 10%, but the large data set also allows for a wide variety of precision measurements of rare kaon decays as well as exotic searches for new particles.
The search for the neutral $K_{L} \rightarrow \pi^0 \nu \bar{\nu}$ mode is currently being addressed by the KOTO experiment, located at the J-PARC accelerator complex in Japan. KOTO is expected to reach the SM sensitivity for the $K_{L} \rightarrow \pi^0 \nu \bar{\nu}$ decay during the next decade.
The status of the NA62 and KOTO experiments will be presented, highlighting some of the latest physics results from the experiments.
The future availability of high-intensity kaon beams at the CERN SPS North Area gives rise to unique possibilities for sensitive tests of the Standard Model in the kaon sector. An overview of the physics goals, detector requirements, and project status for HIKE, the next generation of kaon physics experiments at CERN, will be presented.Orateur: Radoslav Marchevski (École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL))
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Mini-colloques: MC13 Effets d’environnement et de solvatation sur les processus moléculaires: 1 Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
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Role of water in the aging processes of secondary organic aerosols: Atmospheric implication
Secondary Organic Aerosol (SOA) particles are formed in the atmosphere by gas-to-particle conversion processes involving volatile organic compounds of natural and anthropogenic origin. SOA, which constitutes 30 to 50 % of the global organic aerosol budget are recognized to affect both climate change and human health. To date, the formation and evolution (i.e. the atmospheric aging during air mass transport) of SOAs have been investigated by performing both field measurements and laboratory experiments, highlighting the complexity of related physico-chemical processes, due to the large diversity of their chemical makeup. Actually, interactions between atmospheric water vapor and SOA play key roles in air quality and climate change, requiring an accurate scrutinization. As aerosol particles may be considered as micro-reactors, a key bridge between individual process studies and the complexity of in situ atmospheric chemistry can be provided by lab-single particle investigations. Interactions between gases and particles may be confined to the surface region for particles in solid and semi-solid phases but may also occur in the bulk for particles in the liquid phase. In addition, the condensed water may serve as a reaction medium for multiphasic reactions. Finally, the condensed-phase water may be regarded as a plasticizer whose presence results in changes in the particle phase state, which may directly affect the molecular diffusion both at the particle surface and in the bulk. So far, most studies on hygroscopicity, phase states and viscosity that have been performed with a focus on laboratory experiments, demonstrated that atmospheric particles can adopt not only a liquid phase state, but also semi-solid and even solid states, depending on their chemical composition (including inorganic/organic mixing) and on the atmospheric relative humidity. It is critical to understand the interactions between SOAs and water particles by determining the key physical and/or chemical factors that drive and/or influence water-particle interactions during atmospheric aging processes at the particle scale.
We will present some laboratory studies on model SOA particles using a panel of original and complementary experimental setups for on-line and in situ studies of individual particles. In addition, molecular scale SOA-water processes are investigated using low temperature matrix isolation experiments. This multi-scale approach may help in identifying key physico-chemical markers related to aerosol-water interaction processes, and provides insight for understanding the effect of aerosols on climate change and air quality.Orateur: Sophie SOBANSKA (Institut des Sciences Moléculaires - UMR 5255) -
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Microsolvatation par l'hélium de composés hydrocarbonés polyaromatiques
Dans cette contribution, nous explorons la propension de molécules
hydrocarbonées polyaromatiques telles que fullérènes ou PAH à lier des
atomes d'hélium à suffisamment basse température. Des mesures par
spectrométrie de masse (groupe de P. Scheier, Innsbruck) renseignant
sur les abondances relatives, couplées à des modélisation atomistiques
combinant champs de force polarisables et simulations par intégrales
de chemins fournissent des informations précieuses sur l'importance
des effets quantiques de délocalisation vibrationnelle. En particulier
nous montrons que l'isomère a une influence significative sur
l'organisation du solvant et la fermeture de sa première couche.Dans le cas du cation hexaphénylbenzène, l'orientation des cycles
aromatiques latéraux affecte la capacité d'adsorption de l'hélium
suffisamment pour mettre en évidence un abaissement de la symétrie
survenant dans l'état cationique.Orateur: Florent Calvo (CNRS) -
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Sonder les effets d’environnements par spectroscopie bi-dimensionnelle infrarouge
La spectroscopie bi-dimensionnelle infrarouge (2D-IR) est un outil puissant pour étudier les propriétés structurales et dynamiques de différents systèmes dans divers environnements. Cette technique de spectroscopie non linéaire nous permet d'aller au-delà de la spectroscopie d'absorption linéaire, et ainsi d'obtenir simultanément des informations sur la structure et la dynamique : modes vibrationnels, anharmonicité, couplage entre modes, transferts d'énergie, contributions homogènes et inhomogènes, diffusion spectrale, et ce avec une résolution temporelle de l'ordre de la centaine de femtosecondes [1].
Grâce au dispositif nouvellement mis en place à l’ISMO, nous avons obtenu des spectres 2D-IR et des signaux pompe-sonde pour des complexes organométalliques ($Fe(CO)_5$ et $W(CO)_6$) en solution, qui sont conformes à la littérature [2,3]. Nous étudions actuellement les effets du solvant sur la dynamique de $Fe(CO)_5$. En particulier, nous suivons le transfert qui se produit entre les deux modes vibrationnels $E’$ et $A_2’’$ de $Fe(CO)_5$ à différents délais pompe-sonde, transfert attribué au réarrangement fluxionnel de la molécule [2].
Nous avons l'intention d'étudier des systèmes piégés dans des matrices cryogéniques, où les bandes sont généralement étroites (<1 cm$^{-1}$). Les spectres de matrice peuvent également présenter des structures complexes, comme dans le cas de $Fe(CO)_5$ dans $N_2$ : les modes d'élongation de CO apparaissent comme des ensembles de bandes multiples, par opposition à des bandes simples en solution, ce qui est caractéristique du piégeage de la molécule dans différents sites de la matrice [4]. Nous cherchons à sonder tous les modes simultanément et à être sensible aux effets de site. C’est pourquoi notre nouveau dispositif 2D-IR basé sur [5] couvre une large plage de fréquences avec une bonne résolution temporelle (<200 fs) et spectrale (<0,5 cm$^{-1}$), en utilisant une caméra infrarouge multipixel (320x50) : nous dispersons la fréquence de la sonde sur les 320 pixels, et la fréquence de la pompe est donnée par la transformée de Fourier sur le délai temporel entre les deux impulsions de pompe. En combinant notre dispositif avec un cryostat, nous serons en mesure d'étudier des systèmes en matrices cryogéniques.
- Hamm, P. and Zanni, M. editors. Concepts and methods of 2D-infrared spectroscopy. Cambridge University Press, 1. Edition, (2011)
- Cahoon et al., Science 319, pp.1820-1823 (2008)
- Arrivo et al., Chemical Physics Letters 235 pp. 247–254(1995)
- Thon et al., J. Chem. Phys. 156, 024301 (2022)
- Helbing, J. and Hamm, P., J. Opt. Soc. Am. B 28, pp 171-178 (2011)
Orateur: Armel Jouan (ISMO-CNRS-Université Paris-Saclay) -
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Microhydration of $\mathbf{Mg^{2+}(CH_3COO^–)}$ ion pairs followed by IR laser spectroscopy: insights into the water-mediated ionic interactions in the magnesium transport channel
Ionic interactions play a crucial role in ion transport and selectivity to maintain cellular ion homeostasis. For example, the $\mathrm{Mg^{2+}}$ channel is a membrane protein that regulates $\mathrm{Mg^{2+}}$ cation concentration on both sides of the cell membrane. Crystal structure of the Magnesium Transport E channel suggests a transport mechanism for $\mathrm{Mg^{2+}}$ ions involving the motion of hexa-hydrated $\mathrm{Mg^{2+}}$ cations recognized through water-mediated ionic interactions between the $\mathrm{Mg^{2+}}$ cation and the carboxylate groups of the channel interior.$^a$
In order to characterize these water-mediated ionic interactions, we investigated $\mathrm{Mg^{2+}(CH_3COO^–)(H_2O)}_n$ clusters. We probed their structures from $n = 4$ to $17$ by measuring cryogenic gas phase infrared spectra, further interpreted by high level quantum chemistry DFT-D calculations of vibrational frequencies. This comparison allowed us to investigate size-selected micro-hydrated $\mathrm{Mg^{2+}}$ ion pairs.
In accordance with previous findings obtained on hydrated calcium$^b$ and barium$^c$ acetate clusters, hydration by 6 water molecules is insufficient to induce the ion separation. Nonetheless, partially-separated or separated ion pairs are formed from at least 10 water molecules, and more significantly with 14 water molecules. These results highlight the necessity of a second water-mediated ionic interaction for the transport of $\mathrm{Mg^{2+}}$ within the channel and possibly in cooperation with weaker secondary interactions, such as involving carbonyl groups, as suggested by the crystal structure.
$^a$Takeda, H.; Hattori, M.; Nishizawa, T.; Yamashita, K.; Shah, S. ; Caffrey, M.; Maturana, A. D.; Ishitani, R.; Nureki, O. Nat. Commun. 2014, 5374.
$^b$Denton, J. K.; Kelleher, P. J.; Johnson, M. A.; Baer, M. D.; Kathmann, S. M.; Mundy, C. J.; Wellen, R. B. A.; Allen, H. C.; Choi, T. H.; Jordan, K. D. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2019, 116, 14874-14880.
$^c$Donon, J.; Bardaud, J.-X.; Brenner, V.; Ishiuchi, S.; Fujii, M.; Gloaguen, E. Phys. Chem. Chem. Phys. 2022, 24, 12121-12125.
Orateur: Jean-Xavier BARDAUD (CNRS - ISMO) -
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Action spectroscopic study of (H2O-X)+ complexes in the overtone range
H2O+ plays a role in the ion chemistry of the lower atmosphere and acts as a nucleation center [1]. In this contribution we present new results concerning (H2O-X)+ complexes, with X = Ar, CO2 , N2 , N2O or H2O. These cationic complexes are produced using a supersonic expansion and an electron beam. Photo-fragmentation spectroscopy is performed with an OPO laser in the near-IR (1000-2100 nm) and by monitoring the signal of H2O+ fragments as a function of the laser wavelength. New vibrational bands are reported. The results concerning (H2O-Ar)+ will be compared with previous results obtained in the literature [2]. Tentative assignment of the observed bands will be performed by a careful comparison between the different complexes. Finally, we present the status of our efforts in the production of very large ionic clusters, with pure (Ar)n+ and mixed clusters (H2Om-Arn)+ containing up to thousands of units.
[1]: Shuman, N. S., Hunton, D. E., & Viggiano, A. A. (2015), Chemical reviews, 115(10), 4542-4570.
[2]: Wagner, J. P., McDonald, D. C., & Duncan, M. A. (2017), The Journal of chemical physics, 147(10), 104302.Orateur: Joffrey Fréreux (UC Louvain) -
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Application of photoelectron spectroscopy to study electronic ligand effects on iron cyclopentadienone complexes
Organometallic chemistry is a key process in homogenous catalysis and gives access to a wide range of products and reactions. Through their steric and electronic effects, ligands are able to orientate the reactivity of the complexes and can thus influence the selectivity in the chemical transformations. Usually, the metal-ligand bond is depicted by the Dewar-Chatt-Duncanson model1,2 involving two opposite interactions, a σ-donor and a π-acceptor effect. Over the years, many experimental methods have been developed to measure these electronic effects, the most common being that of Tolman (Tolman electronic parameter), which is limited to organometallic complexes possessing probe ligands such as CO and based on the A1-symmetrical CO-stretching frequency shift.3
We have recently developed the use of new experimental gas-phase approaches to measure these effects, one based on photoelectron spectroscopy (PES) coupled to synchrotron radiation, and the other on mass spectrometry using activation by higher energy collision dissociation (HCD). Under the first method, the satisfying results obtained on model systems4 have encouraged us to apply this method to catalysts developed for hydrogenation reactions,5 and to probe the electronic interaction between the ligand and the metal centre. Results obtained for tricarbonyl iron complexes of the (Fe(CO)3L) type, with L being substituted cyclopentadiene ligands, are presented here. The photoelectron spectra provide access to the ionization energies and state-selected Fe-CO dissociation energies.References
1. E. C. Constable, John Wiley & Sons 1996, 22-45.
2 . A. Zecchina, S. Califano, John Wiley & Sons 2017,59-90.
3 . C.A. Tolman, Chemical Reviews 1977, 77, 313-348.
4. H. Dossmann, et al. Journal of Physical Chemistry A 2020, 124, 8753-8765.
5. L. Bettoni, et al. Chemical Communications 2020, 56, 12909-12912.Orateur: Lyna Bourehil (Sorbonne Université - Synchrotron SOLEIL) -
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Théorie de la fonctionnelle de la densité classique couplée aux équations intégrales : application au CO2 supercritique.
Les enjeux liés au réchauffement climatique poussent les industriels à se tourner vers des solvants plus respectueux de la nature afin de s’affranchir des solvants conventionnels, les composés organiques. Depuis leurs découvertes, les fluides supercritiques constituent des bons candidats pour développer une «chimie verte».[1] L’intérêt autour cet état thermodynamique repose sur ses propriétés de solvatations intéressantes. Le plus couramment utilisé est le CO$_{2}$ supercritique (scCO$_{2}$) car il est possible d’atteindre facilement son point critique (T$_{c}$= 304 K et P$_{c}$ = 73 atm) mais aussi parce qu’il est non-toxique, non-inflammable et abondant. On le retrouve dans de nombreux domaines industriels: pharmaceutique, pétrole, cosmétique et dans l’agro-alimentaire.[2]
Néanmoins, son pouvoir solvatant reste limité particulièrement lorsqu’il s’agit de solubiliser les solutés polaires. D’où, la nécessité d’ajouter un cosolvant (par exemple, un solvant polaire), d’augmenter la concentration du soluté ou modifier les paramètres thermodynamiques afin de maximiser sa solubilité.[3] Un des défis autour scCO$_{2}$ est de pouvoir déterminer efficacement et rapidement sa solubilité. Plusieurs méthodes sont utilisées pour déterminer la solubilité du scCO$_{2}$, les équations états paramétrisées qui nécessitent des données expérimentales et les simulations de dynamique moléculaires (DM). Ces méthodes ont permis d’avoir accès à la solubilité pour quelques solutés et conditions thermodynamiques mais elles restent coûteuses (en données ou temps de calcul), ce qui limite leurs utilisations pour une prédiction.
Cette étude cherche à développer une méthode rapide et efficace pour déterminer la solubilité pour divers solutés et plusieurs conditions thermodynamiques . Nous utilisons une nouvelle approche, les équations intégrales couplées à la théorie de la fonctionnelle de la densité classique (similaire à la DFT électronique mais ici c’est la densité moléculaire que l’on cherche à minimiser), qui a démontré son efficacité sur des études sur la molécule d’eau.[4] Ainsi, nous pouvons déterminer la structure et l’énergie libre 10000 fois plus rapide que la dynamique moléculaire. Nous allons présenter les premiers résultats pour divers solutés et plusieurs conditions thermodynamiques.
Mots-clés:Fluide supercritique, Solubilité, Dynamique moléculaire, Théorie de la fonctionnelle de la densité classique.
- P.T. Anastas et J. C. Warner, Oxford University Press (2000).
- G. Sodeifian, L. Nasri, F. Razmimanesh et al,The Journal of Chemical Thermodynamics 182 (2023).
- C. A. Eckert, B. L. Knutson, et P.G. Debenedetti, Nature 383 (1996) .
- D. Borgis, S. Luukkonen, L.Belloni et al, The Journal of Chemical Physics 155 (2021).
Orateur: M. Mohamed Houssein Mohamed (LPCT, Université de Lorraine, CNRS)
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Mini-colloques: MC16 Fluides classiques et quantiques hors équilibre: 1 Salle Henriette Faraggi
Salle Henriette Faraggi
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Novel Non-equilibrium Phenomena in Quantum Fluids of Light
Driven-dissipative quantum fluids of light, experimentally realised in for example semiconductor microcavities, circuit or cavity QED systems, provide a unique testbed to explore new non-equilibrium quantum phenomena. I will review recent progress in this field. In particular, we show that polariton quantum fluid can exhibit a non-equilibrium order, where superfluidity is accompanied by stretched exponential decay of correlations [1]. This celebrated Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) phase has not been achieved before in any system in 2D, and even 1D realisations have not been conclusive. I will then discuss how these systems can undergo other unconventional phase transitions and orders [2,3], and display flow properties connected but distinct from conventional superfluidity. Finally, when placed in strained honeycomb lattice potentials, polariton fluids can condense into a rotating state, the lowest Landau level, forming a vortex array and spontaneously breaking time reversal symmetry [4].
[1] A. Zamora et al, PRX 7, 041006 (2017); PRL 125, 265701 (2020); A. Ferrier et al, PRB 105, 205301 (2022)
[2] G. Dagvadorj et al, arXiv:2208.04167, PRL to appear (2023)
[3] G. Dagvadorj et al, PRB 104, 165301 (2021)
[4] C. Lledo et al, SciPost 12, 068 (2022)Orateur: Marzena Szymanska (University College London) -
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Experimental measurements of the rapidities distribution of a one-dimensional Bose gas
Après relaxation, un système quantique intégrable, en particulier un gaz unidimensionnel de bosons, est caractérisé par la distribution de rapidités, une grandeur préservée au long de la dynamique. La distribution de rapidités n'est rien d'autre que la distribution asymptotique des impulsions des particules après une expansion unidimensionnelle du système. Cette définition est directement liée à une procédure expérimentale permettant d'accéder à cette quantité. Il est également possible de réaliser un protocole de bi-partition : la distribution de rapidités est alors déduite en étudiant la déformation du bord d'un nuage semi-infini grâce à l'hydrodynamique généralisée (Generalized HydroDynamics), une théorie hydrodynamique émergente applicable aux systèmes intégrables quantiques. Au cours de notre expérience, des atomes de $^{87}Rb$ sont piégés par une puce atomique permettant d'atteindre le régime unidimensionnel. Un outil de sélection spatiale a été intégré permettant aussi bien de réaliser des expansions unidimensionnelles de nuages homogènes que de mettre en oeuvre le protocole de bi-partition. Nous présenterons les premières mesures de distribution de rapidités sur notre système en utilisant les deux protocoles décrits ci-dessus.
After relaxation, an integrable quantum system, in particular a one-dimensional gas of bosons, is characterized by the rapidities distribution, a quantity preserved throughout the dynamics. The rapidities distribution is nothing else than the asymptotic momentum distribution of particles after a one-dimensional expansion of the system. This definition is directly linked to an experimental procedure allowing to access this quantity. It is also possible to realize a bi-partite protocol: the rapidities distribution is then deduced by studying the deformation of the edge of a half-infinite cloud thanks to Generalized HydroDynamics, an emerging hydrodynamic theory applicable to quantum integrable systems. In our experiment, $^{87}Rb$ atoms are trapped by an atom chip to reach the one-dimensional regime. A spatial selection tool has been integrated allowing to realize one-dimensional expansions of homogeneous clouds as well as to implement the bi-partite protocol. We will present the first measurements of rapidities distribution on our system using the two protocols described above.
Orateur: Léa DUBOIS (Laboratoire Charles Fabry) -
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Branche d'excitation de Higgs dans les gaz de fermions superfluides
Les gaz de fermions de spin 1/2 font l'objet actuellement d'une controverse intéressante sur une question fondamentale (et non triviale compte tenu de la force des interactions) : selon les auteurs, ces gaz présentent ou ne présentent pas de branche d'excitation collective de Higgs dans leur continuum de paire brisée ; citons le travail de Laura Benfatto (PRL 115, 157002 (2015)) dans la seconde catégorie. Dans la première catégorie, une autre ligne de fracture existe : certains affirment que la branche de Higgs commence à 2 E_gap (où E_gap est la largeur de la bande interdite des excitations fermioniques), comme Sandro Stringari (PRA 86, 053604 (2012)), d'autres qu'elle commence à 2 Delta (où Delta est le paramètre d'ordre associé à la symétrie brisée U(1)).
Pour l'instant, cette branche n'a été observée dans aucun système (même pas les supraconducteurs). Cependant, les progrès expérimentaux récents du groupe de Chris Vale (Swinburne, Australie) dans un gaz d'atomes froids fermioniques au voisinage d'une résonance de Feshbach, qui lui permettent d'exciter des oscillations collectives du paramètre d'ordre, font de la question un sujet chaud.
Nous avons effectué récemment une étude théorique très poussée, basée sur la théorie BCS dépendant du temps [PRL 122, 093403 (2019) ; Comptes Rendus Phys. 21, 253 (2020)], et qui se trouve donc sous les feux de l'actualité. Nous pensons avoir clarifié le problème et pouvoir réconcilier les différentes écoles de pensée, car nous avons découvert deux pièges à éviter dans l'analyse théorique qui expliquent en particulier la conclusion négative de Benfatto. Nous proposons aussi une procédure expérimentale à base d'excitation de Bragg [ibidem 21, 203 (2020)], que Chris Vale ou d'autres équipes dans le monde pourraient mettre en oeuvre rapidement, et qui conduirait à une première observation de la branche de Higgs et à une résolution expérimentale de la controverse.
Orateur: Yvan CASTIN (LKB-ENS) -
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Phase diagram of a 1d exciton-polaritons condensate.
Exciton-polaritons are short-lived hybrid bosonic quasiparticles generated by the coupling of the electronic excitations of a semiconductor and light in an optical cavity. A steady state can be obtained by driving the system with an external laser compensating the photon loss [1]. If tuned above some threshold power, the laser driving triggers the Bose-Einstein condensation of exciton-polaritons [2].
We propose a phase diagram of a one-dimensional condensate of exciton-polaritons, obtained by investigating its driven-dissipative dynamics through the stochastic generalized Gross-Pitaevskii equation [1]. We benchmark and expand the ideas proposed in [3], choosing realistic values for the parameters of the model, based on the experimental platform of [4], on which the universal non-equilibrium properties of the coherence (Kardar-Parisi-Zhang universality class) were observed and supported by the theory. Here, we illustrate and characterize the rich dynamics emerging by spanning the space of parameters around the conditions of [4]. In particular, we focus on the role of the two-body interactions, the amplitude of the stochastic noise modeling the fluctuations of the open quantum system in the mean-field description, and the power of the laser driving. We identify two distinct regimes: (i) a disordered vortex regime, at high noise, dominated by point-like phase defects in space-time; (ii) a soliton-patterned regime, at low noise, populated by localized structures analogue to dark solitons of Bose-Einstein condensates at equilibrium.[1] I. Carusotto and C. Ciuti, Quantum Fluids of Light, Rev. Mod. Phys. 85, 299 (2013).
[2] J. Kasprzak et al., Bose–Einstein Condensation of Exciton Polaritons, Nature 443, 409 (2006).
[3] L. He, L. M. Sieberer, and S. Diehl, Space-Time Vortex Driven Crossover and Vortex Turbulence Phase Transition in One-Dimensional Driven Open Condensates, Phys. Rev. Lett. 118, (2017).
[4] Q. Fontaine et al., Kardar–Parisi–Zhang Universality in a One-Dimensional Polariton Condensate, Nature 608, 687 (2022).Orateur: Francesco Vercesi (Unviersite Grenoble Alpes) -
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A fast rotating superfluid on a curved surface
Ultracold atom experiments enable the study of quantum systems in a very controlled and tunable environment. In particular, they offer a natural playground for the study of superfluid dynamics, made possible by the existence of interactions between atoms. Superfluids are characterized by an ensemble of specific properties, including the absence of viscosity, existence of a critical velocity for excitation, and the irrotational character of a superfluid flow.
In the presence of applied rotation, trapped superfluid develop a number of quantum vortices that arrange in a regular triangular lattice at very low temperature, the Abrikosov lattice. As temperature increases, however, the Abrikosov lattice is expected to be gradually destroyed, by displacement of the vortex centers and eventually strong phase fluctuations.
In our experiment, we rotate a rubidium quantum gas in a very smooth oblate potential arising from a combination of magnetic and radiofrequency fields. We image the vortex lattice after a time-of-flight expansion and characterize the order of the vortex lattice by measuring the correlations between vortex positions, as a function of the temperature and the rotation frequency. We observe the melting of the vortex lattice at large rotation frequency and finite temperature.
Finally we make use of the peculiar geometry of the trapping potential, a smooth shell-shaped surface to access a regime of supersonic rotation, in which the superfluid forms a dynamical ring.
Orateur: Romain Dubessy (Laboratoire de physique des lasers UMR7538 CNRS - Université Sorbonne Paris Nord)
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Mini-colloques: MC19 Hétérostructures et interfaces de basse dimensionnalité: 1 Salle Claudine Hermann
Salle Claudine Hermann
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Harvesting spin-orbit coupling at interfaces
The ever-increasing demand of information technology for power-efficient components has led to the search for alternative solutions to mainstream microelectronics. In this context, spintronics devices stand out as competitive candidates, especially for memory and logic applications. A promising route harvests unconventional transport properties arising from spin-orbit coupling in magnetic heterostructures lacking inversion symmetry.
In these systems, typically multilayers of transition-metal ferromagnets and heavy materials (e.g., W, Pt, Ta, Bi2Se3, WTe2), interfacial spin-orbit coupling promotes a wealth of remarkable physical phenomena: the generation of spin-orbit torques, the interconversion between spin and charge currents, and the stabilization of topological magnetic skyrmions. The recent synthesis of novel classes of materials has profoundly enriched this vivid field of research by unlocking unforeseen forms of torques and magnetic interactions, thereby enhancing the functionalities of spin-orbitronic devices.In this presentation, I will provide a general perspective of the advancement of the fascinating field of spin-orbitronics, focusing on two emblematic mechanisms: the spin-orbit torque and the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. I will present standard phenomenological descriptions of these two effects and give a broad overview of the current state-of-the-art of the field in various systems of interest including transition metal multilayers, topological insulators and antiferromagnets. I will then explore how spin-orbitronics takes a completely new form in materials possessing low crystalline symmetries, such as Fe3GeTe2 and CuPt/CoPt(111) bilayers. Finally, I will show how interfacial spin-orbit coupling can be exploited to generate high-harmonic charge currents induced by spin pumping opening entirely novel perspectives in the field.
Orateur: Aurelien MANCHON (Aix Marseille Université) -
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Electrical characterization of spin-charge conversion in nanodevices of SrTiO3 two-dimensional electron gases
Spin-orbitronics is a wide field that takes advantage of the effect of spin-orbit coupling (SOC) on the spintronic response of materials. SOC is the responsible for the spin-charge interconversion through effects such as Edelstein effect, which occurs naturally in topological insulators and Rashba systems. One recently proposed spin-orbitronic device is the Magnetoelectric Spin-Orbit (MESO) technology that brings logic into memory by combining a ferromagnet with a magnetoelectric (ME) element for information writing and a SOC element for information read-out [1-3]. Key to the operation of MESO is to use a SOC system able to generate a large output voltage (up to 100 mV). Among candidate materials, oxide 2DEGs have shown very large spin-charge conversion efficiency but only in spin-pumping experiments and at low T [4,5]. Here we report all-electrical spin-injection and spin-charge conversion experiments in nanoscale devices harnessing the inverse Edelstein effect of STO Rashba 2DEGs. We have designed, patterned and fabricated T-shaped nanodevices where a spin current is injected from a cobalt layer into the 2DEG and is converted into a charge current. By taking advantage of the large tunability of the electronic structure of 2DEGs, we optimized the spin-charge conversion signal by applying back-gate voltages and studied its temperature evolution. We further disentangled the inverse Edelstein contribution from numerous spurious effects, namely planar Hall effect, anomalous Hall effect or anisotropic magnetoresistance [6]. We found encouraging results in terms of future applications for alternative computing approaches based on spin logic. The combination of non-volatility and high energy efficiency of these devices could potentially lead the new technology paradigm in beyond-CMOS computing devices.
[1] S. Manipatruni et al., “Scalable energy-efficient magnetoelectric spin–orbit logic,” Nature, vol. 565, no. 7737, pp. 35–42, Jan. 2019, doi: 10.1038/s41586-018-0770-2.
[2] A. Manchon, H. C. Koo, J. Nitta, S. M. Frolov, and R. A. Duine, “New perspectives for Rashba spin-orbit coupling,” Nature Materials, vol. 14, no. 9, pp. 871–882, Aug. 2015, doi: 10.1038/nmat4360.
[3] M. Bibes and A. Barthélémy, “Towards a magnetoelectric memory,” Nature Materials, vol. 7, no. 6, pp. 425–426, Jun. 2008, doi: 10.1038/nmat2189.
[4] E. Lesne et al., “Highly efficient and tunable spin-to-charge conversion through Rashba coupling at oxide interfaces,” Nature Materials, vol. 15, no. 12, pp. 1261–1266, Dec. 2016, doi: 10.1038/nmat4726.
[5] D. C. Vaz et al., “Mapping spin–charge conversion to the band structure in a topological oxide two-dimensional electron gas,” Nature Materials, vol. 18, no. 11, pp. 1187–1193, Nov. 2019, doi: 10.1038/s41563-019-0467-4.
[6] V. T. Pham et al., “Spin–orbit magnetic state readout in scaled ferromagnetic/heavy metal nanostructures,” Nature Electronics, vol. 3, no. 6, pp. 309–315, Jun. 2020, doi: 10.1038/s41928-020-0395-y.Orateur: Fernando GALLEGO TOLEDO (CNRS/Thales) -
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États résonnants dans la zone de déplétion de surface de GaN dopé p observés par photoémission basse énergie
Dans cet exposé nous présenterons des résultats expérimentaux et théoriques récents de photoémission de basse énergie sur un échantillon de GaN dopé p à affinité électronique négative. Nous discuterons dans un premier temps de divers types de transitions, telles que la transition Franz-Keldysh et l'émission depuis des défauts, contribuant au rendement quantique pour des excitations d'énergie de photon inférieure au gap du semi-conducteur. Nous montrerons ensuite expérimentalement que dans ce régime, la distribution en énergie des électrons émis présentent des signatures de la présence d'états résonnants dans la zone de déplétion de surface du semi-conducteur. Nous montrerons qu'une analyse théorique simple basée sur la densité locale d'états prédit l'existence de tels états et permet de retrouver leur position en énergie dans les distributions en énergie des électrons, en accord avec l'expérience.
In this talk, we will report recent experimental and theoretical results on low energy photoemission from p-doped GaN with negative electron affinity. In a first part, we will discuss the different types of transition, such as the Franz-Keldysh transition and the emission from defect states, which contribute to the photoemission quantum yield for photon energies lower than the band gap of the semiconductor. We will then demonstrate experimentally that in this regime, the energy distribution of the emitted electrons reveals signatures for the presence of resonnant states in the surface band bending region. We will finally show how a simple theoretical analysis based on the local density of states in the near surface region allows for the prediction of the energy of the resonnant states in agreement with the experiment.
Orateur: Jean-Philippe Banon (Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, École Polytechnique, CNRS, Institut Polytechnique de Paris, Palaiseau, 91120, France) -
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Gate tunable spin-orbit coupling and superconductivity in KTaO3-based two-dimensional electron gases
Oxide heterostructures are regarded as promising platforms for the next generation of electronic devices, displaying straightforward properties like high carrier mobility to exotic functionalities like multiferroicity. In polar heterostructures, the interfacial electric field can produce a two dimensional electron gas (2DEG). The broken inversion symmetry results in Rashba spin-orbit coupling that the source of rich physics. For example, it promotes the direct and inverse Edelstein effects that enable interconversion between spin and charge currents for spin-orbitronics. Furthermore, if the system is superconducting, a source of time-reversal symmetry breaking like a magnetic field could enable the generation of topological states.
The family of KTaO$_3$ 2DEGs are good candidates for such effects. On (111) and (110)-terminated KTaO$_3$, superconductivity is observed up to 2,2 K and 1 K respectively. The heavy Ta element confers a large Rashba coupling strength to the 2DEG, around 300 meV.A for KTaO$_3$ (001), compared to few tens of meV.A in LaAlO$_3$/SrTiO$_3$. However, to assess the functional perspectives of these systems, a fine control of their transport properties needs to be achieved.
Here, we present the tuning of superconductivity and spin-orbit coupling by field-effect in KTaO$_3$-based devices and relate to their band structure. The investigation of the interplay between these effects may shed light on the unconventional pairing mechanism.
Orateur: Hugo WITT -
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Optomechanics of suspended magnetic van der Waals materials
The persistence of a magnetic order in a monolayer of van der Waals magnetic material has been established in 2016, offering the perspective to embed a magnetic degree of freedom in heterostructures made of other bidimensional materials such as graphene or light-emitting transition metal dichalcogenides. The physical properties of van der Waals materials can be easily tuned by perturbations like strain or doping, inviting to the exploration of magnetism in two dimensions and its exploitation in novel ultrathin devices.
Our approach is to suspend these magnetic materials forming drum-like resonators in order to investigate the influence of the strain on their magnetic order. We probe magnetic phase transitions in homo- and heterostructures based on FePS$_3$ and NiPS$_3$, two materials from the transition metal thiophosphates family displaying a zigzag antiferromagnetic order, combining nano-optomechanics to optical spectroscopies.
The tuning by strain of their light emission and magnetic properties is also investigated, in particular the photoluminescence of NiPS$_3$.
This work opens to the study of proximity effects in van der Waals magnetic heterostructures and their control by strain.Orateur: Arnaud Gloppe
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Mini-colloques: MC22 Recherche et outils en météorologie de l'espace en France: 1 Salle Cécile DeWitt-Morette
Salle Cécile DeWitt-Morette
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Les vecteurs de l’interaction Soleil-Terre
Le Soleil est une étoile, mais pas n’importe laquelle : il s’agit de notre étoile, celle qui nous prodigue sa lumière et son énergie, mais également celle dont les sursauts énergétiques nous affectent tout particulièrement. En effet, comme l’avait soupçonné Richard Carrington dès le XIXᵉ siècle, la Terre est connectée au Soleil, que ce soit par le biais de son champ magnétique ou de son atmosphère étendue dans laquelle elle se déplace. Dans un monde de plus en plus technologique, ce n’est pas sans conséquence en termes d’économie, de société et de santé, ce qui a amené à l’émergence d’un nouveau domaine : la météorologie de l’espace, ou comment comprendre les événements énergétiques du Soleil pour anticiper leur impact sur notre planète et son environnement.
Dans cette revue, nous allons présenter les différents vecteurs de l’interaction entre le Soleil et la Terre, afin de comprendre les enjeux autour des différents phénomènes solaires. Nous nous intéresserons à des phénomènes ambiants comme l’émission lumineuse et le vent solaire, mais également à des phénomènes transients comme les éruptions solaires ou les éjections de masse coronales, ainsi que les particules énergétiques accélérées lors de ces événements. Nous passerons en revue la compréhension actuelle de la physique de ces phénomènes, avant de détailler leur impact sur la Terre. Nous terminerons enfin sur les moyens mis en place pour surveiller, détecter et anticiper ces événements, ainsi que les grandes questions scientifiques et défis techniques dévoilés par cette nouvelle discipline.Orateur: Barbara Perri (CEA-AIM) -
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Modélisation de l’environnement plasma terrestre et de la reconnexion magnétique à la magnétopause
La magnétosphère terrestre est séparée du milieu interplanétaire par une couche de courant appelée magnétopause, qui peut être considérée en première approximation comme étanche au vent solaire produit par le Soleil. Cependant, la reconnexion magnétique entre le champ magnétique interplanétaire et celui de la magnétosphère peut briser cette étanchéité, permettant le transfert de matière, d’impulsion, et d'énergie du milieu interplanétaire vers la magnétosphère. La reconnexion magnétique est connue pour générer des phénomènes tels que les aurores boréales, mais elle peut aussi entraîner l’endommagement de satellites (communications, GPS, etc.) et d’infrastructures électriques lors d'éruptions solaires intenses. La prédiction et la quantification de la reconnexion magnétique à la magnétopause terrestre revêtent donc un enjeu crucial pour notre société. De nombreuses questions fondamentales, telles que l'efficacité, la localisation et l'étendue spatiale de ce phénomène, restent non résolues. Depuis plus de 50 ans, d'importants efforts ont été déployés pour modéliser l'environnement plasma terrestre et la reconnexion magnétique afin de répondre à ces interrogations.
Orateur: Bayane MICHOTTE DE WELLE (Laboratoire de Physique des Plasmas) -
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Studies of the global solar wind-magnetosphere system through soft X-ray imaging
Soft X-ray emission produced by multi-charged solar wind ions exchanging charges with geocoronal neutrals is gaining momentum in studies of the solar wind-magnetosphere interaction. This is attested by the increased interest in missions dedicated in imaging the global magnetospheric system in soft X-rays, such as ESA’s SMILE and NASA’s LEXI missions. The former will launch in 2025, and the later will be deployed on the Moon’s surface in 2024. I will present recent modeling efforts, using MHD and test-particle simulations, to study the SWCX (Solar Wind Charge-exchange X-ray) emission in the Earth’s magnetosheath, and support the science return of magnetospheric soft X-ray imagers.
Orateur: Dimitra KOUTROUMPA (LATMOS) -
09:35
Pause tampon pour transitions entre orateurs/oratrices
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L’ionosphère : élément critique pour la Météorologie de l’Espace
L’ionosphère est un élément particulier du système couplé Soleil-Terre qui a la caractéristique d’être soumis aussi bien à des effets directs du Soleil comme le rayonnement UV qui est la source principale de production de particules chargées, qu’à des effets indirects comme les couplages vent solaire-magnétosphère, qui sont responsables des précipitations de particules et qui donnent lieu aux aurores boréales. Dans le cadre de la Météorologie de l’Espace, l’ionosphère occupe de plus une position singulière liée à la nature même de sa source. En effet, comme elle est issue de la haute atmosphère, elle constitue une enveloppe dans l’environnement spatial proche, qui entoure la Terre et forme une région de transition, écran entre la biosphère et l’espace. Cet écran affecte les activités humaines sur Terre, mais également dans l’espace et impacte fortement les services dont notre société dépend de manière critique (communications, positionnement GNSS, transport de l’électricité,…). Dans cet exposé, nous présenterons l’état de l’art de notre connaissance de ce milieu complexe, nous décrirons son rôle dans la dynamique global du système Soleil-Terre et enfin nous aborderons la question de son appréhension, en terme de caractérisation ou de modélisation, qui dépend de la nature même de la perte d’intégrité du service considéré dont l’ionosphère est directement responsable.
Orateur: Pierre-Louis BLELLY (Institut de Reherche en Astrophysique et Planétologie) -
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Météorologie spatiale et Radioprotection : impact pour les personnels navigants
Dans cette présentation, seront précisés, présentés et discutés les principaux phénomènes spatiaux pouvant avoir un impact sur l'exposition des personnels navigants et les passagers des vols commerciaux de l'aviation civile. Les méthodes de mesure et de calcul permettant l'estimation de l'exposition seront décrites. Une revue de l'impact de ces phénomènes sera présentée ainsi que l'état de l'art sur les programmes de recherche en cours et les contre-mesures à l'études.
Orateur: François Trompier (IRSN)
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REDP2 Adaptation des parcours du supérieur en physique aux nouveaux bacheliers: 1 Salle Yvette Cauchois
Salle Yvette Cauchois
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Le QCM en ligne de la SFP : un outil pour identifier les difficultés des étudiants à l'entrée dans le supérieur
En France, l'entrée à l'université est déterminée par le baccalauréat. Or, son taux de réussite (plus de 90 %) ne garantit plus un niveau satisfaisant des lauréats. Les universités françaises, où l'inscription est (presque) gratuite, sont néanmoins légalement tenues d'accepter tous les étudiants reçus. Les dernières statistiques du Ministère de l'Education Nationale montrent que seule une petite partie des élèves ayant suivi une filière scientifique au lycée s'oriente vers l'université (Inspection générale, 2022) ; les filières universitaires scientifiques accueillent donc des étudiants souvent déjà en difficulté et doivent adapter leurs cours pour les aider à réussir. Même si certaines universités ont mis en place des tests de positionnement pour organiser des cours de soutien, il n'existe pas de système national permettant de suivre l'évolution du niveau des étudiants et d'en avoir une vue d'ensemble.
Dans ce contexte, la Société française de physique a conçu un questionnaire en ligne d'une heure pour aider les enseignants des universités et des classes préparatoires à identifier les difficultés de leurs étudiants. Composé de quatre parties (mathématiques de base, mécanique, ondes et culture scientifique) et d'une centaine de questions, il peut être complété en une heure et offre un retour immédiat aux étudiants et à leurs enseignants sur les réponses fournies. Il permet également de collecter des données dans tout le pays. Ce QCM, dont le contenu a été choisi pour être conforme aux programmes du lycée (MEN, 2021), est constitué principalement de questions sur les concepts, à partir de situations identifiées comme susceptibles d'induire des difficultés de raisonnement (Viennot, 1996) et s'inspire de questionnaires existants (FCI, 1985 par exemple).
Lancé en 2014, ce questionnaire a été passé par plus de 3000 étudiants. Il permet d'avoir une vision certes partielle (mais la seule disponible à notre connaissance) de l'évolution de la compréhension des concepts par les élèves français à la fin du lycée. Nous présenterons les résultats obtenus par les classes de CPGE et les étudiants de l'université et leur évolution suite à la réforme du curriculum du lycée et aux effets de Covid-19. Si les premières analyses confirment la différence de niveau attendue entre les deux populations, elles documentent également, pour les deux filières, une baisse significative dans le temps de la compréhension de plusieurs concepts.Orateur: Estelle Blanquet (Université de Bordeaux) -
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Etat des lieux du scientifique des étudiants en première année universitaire : cas de l’Université de Toulon
La SFP a mis en place un QCM (http://qcm.sfpnet.fr/) d’auto-évaluation des primo-entrants dans les études supérieurs. Il porte sur plusieurs aspects de la physique et permet à l’étudiant de bien connaître son niveau de connaissances dans les disciplines attachées à l’enseignement de la physique. L’ensemble des étudiants en première année de licence de Mathématiques, Physique-Chimie et Science pour l’Ingénieur de l’Université de Toulon a effectué ce test à la rentrée 2022. A la fin du premier semestre, les résultats obtenus à ce test ont été comparés avec les moyennes des examens universitaires pour 89 étudiants. C’est la comparaison entre ces résultats qui sera présentée et discutée.
Orateur: M. Alexandre Merlen (Université de Toulon) -
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Vers une plateforme Maths pour les Sciences (MaPS)
La maîtrise des mathématiques est un des facteurs discriminants de réussite dans les études scientifiques, notamment dans les sciences expérimentales au niveau de la modélisation et l‘analyse des données. Or l’évolution des programmes du secondaire a conduit à une baisse de la maîtrise, par les bacheliers, des outils mathématiques, baisse qui se conjugue à une hétérogénéité des niveaux d’entrée disciplinaires dans le supérieur en fonction des spécialités du lycée. Cette situation engendre un vrai défi pour les formations scientifiques en termes d’individualisation et de progression dans les parcours des étudiants et requiert la mise en place de dispositifs d’accompagnement à la réussite.
L’utilisation des outils mathématiques dans un contexte de sciences nécessite d’une part, que l’étudiant maitrise l’outil mathématique et d’autre part qu’il identifie l‘outil dans le contexte de sciences proposé. Or les travaux de recherche montrent qu’au-delà de la difficulté du transfert des mathématiques vers la discipline d’application, il existe des différences fondamentales entre les mathématiques pour les mathématiques et des mathématiques pour les sciences. Dans le projet Maths4sciences, le contexte de physique ou chimie et la spécificité des outils mathématiques utilisés ont été pris en compte dans la production des ressources. Cela a ainsi permis d’identifier les savoir-faire mathématiques enseignés dans le secondaire et mobilisés dans les enseignements de première année, par suite de les organiser dans un référentiel de compétences maths pour les sciences et d’y associer des ressources.
Grâce à l’expertise acquise dans les projets précédents (Fasq2sciences,Maths4Sciences, Ecri+ , …), Unisciel développe une plateforme basée sur l’algorithme PIX et un corpus de qcm et de ressources spécifiques à la problématique des maths pour les sciences. Cette plateforme a pour objectif de vérifier l’acquisition des savoir-faire de mathématiques nécessaires mais aussi de proposer des ressources de remédiation pour aider l’apprenant à progresser
La phase de réalisation de la plateforme est en cours, pour une livraison intermédiaire à la fin du premier semestre 2023. La plateforme est prévue en accès libre mais avec une priorité de répondre aux besoins de l’entrée dans le supérieur et une mise en cohérence avec les outils et dispositifs des établissements membres d’Unisciel.Après une introduction sur la problématique des mathématiques pour la physique, la communication présentera la construction du référentiel de compétences et la conception de la plateforme suivie d’une démonstration de celle-ci et des perspectives d’intégration pour les cursus de sciences.
Orateur: Sophie Jequier (Université de Bordeaux / Unisciel) -
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Initier les lycéens aux problématiques quantiques : Une relecture d’une expérience de P.-M. Duffieux
Avec l’émergence des nouvelles technologies constitutives de la “seconde révolution quantique”, et la probable constitution d’un écosystème industriel dédié, le besoin se fait ressentir d’initier des populations nouvelles aux concepts quantiques de base, aussi bien pour former les futurs techniciens et ingénieurs de cette nouvelle industrie que pour les intégrer dans l’imaginaire scientifique collectif.
Nous avons adapté une expérience classique de P.-M. Duffieux de construction progressive d’une image avec l’augmentation de l’intensité lumineuse, d’un nuage dénombrable d’impacts de photons à l’image complète où les impacts individuels ne sont plus résolus — et, si l’image est une figure d’interférence, où la phase relative des faisceaux peut être précisément mesurée.
L’objet à imager (photographie ou figure d’interférence) est placé sur la face de sortie d’un tube de carton épais et rétroéclairée avec une intensité variable. À l’autre extrémité, totalement opaque, se trouve un appareil photo numérique commercial de haute sensibilité (Sony Alpha7 III S), sans correction de bruit, qui enregistre une série d’images pour différents niveaux d’éclairage, calibrés par une série de gris optiques.
Deux élèves de Terminale du lycée de Vence effectueront en juin un stage à l’Institut de Physique de Nice pour s’approprier l’expérience, et un groupe de leurs camarades assurera le traitement numérique des images brutes enregistrées.
Ils seront accompagnés par leur professeur (P.A.), qui assurera une introduction plus théorique aux concepts quantiques associés, en en particulier de la relation de conjugaison entre le nombre de photons et la phase. Ces échanges seront enregistrés, afin d’assurer un suivi didactique et d’identifier les obstacles épistémologique que les élèves auront dû contourner. On discutera également la pertinence, physique et didactique, de l’analogie entre un pixel individuel de la matrice CMOS de l’appareil numérique, un grain de la plaque photographique de l’expérience originale de Duffieux, et un impact de photon individuel.
Orateur: M. Pierre Aboussouan (Lycée de Vence) -
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QUELQUES OBSTACLES ÉPISTÉMOLOGIQUES LIÉS AU FONCTIONNEMENT D’UNE PILE ÉLECTROCHIMIQUE ET PISTES DE REMÉDIATION VIA LA DÉMARCHE D’INVESTIGATION
Résumé
Les visés des nouvelles méthodes d’enseignement suggèrent le franchissement d’un obstacle par les apprenants en s’attaquant à une difficulté conceptuelle. Le recours à l’activité de la résolution de problème contribue et consolide l’acquisition des compétences de la démarche scientifique. Dans cette perspective, les apprenants sont invités à construire la problématique et à penser aux éléments de sa résolution. L’apprenant doit appréhender des nouvelles connaissances après déstabilisation de son système explicatif. Pour cela l’enseignant doit tenir compte des représentations, des modes de pensées des élèves et des obstacles épistémologiques qui sont liés aux concepts enseignés.
La première partie de cette communication porte sur les difficultés éprouvées par des enseignants stagiaires, titulaires d’une licence, à donner du sens aux concepts de la tension électrique et les pôles d’une pile électrochimique. Nous avons analysé la genèse de ces difficultés, dans le but de mieux les appréhender, ce qui facilite le type d’enseignement apprentissage à dispenser pour améliorer les acquis.
Afin de mettre en évidence ces difficultés, nous avons réalisé une évaluation, via un questionnaire ouvert et des focus groupes dont l’objectif est d’identifier les conceptions et les raisonnements des enseignants stagiaires lorsqu’ils mobilisent le concept de la tension électrique et les savoirs liés au fonctionnement d’une pile électrochimique ainsi que le sens qu’ils donnent à ses pôles - et +. Ces différentes connaissances sont préconisées dans le lycée et à l’université. Les items du questionnaire ont porté sur la signification de la valeur de la tension indiquée sur une pile, l’anode, la cathode, les pôles d’une pile, le potentiel standard d'un couple.
Les résultats de dépouillement du questionnaire montrent que les sujets d’étude ont utilisé des connaissances fragmentées, ils n’ont pas mobilisé les connaissances universitaires d’une façon intégrée en lien avec la loi de Nernst et la construction du concept de la tension électrique. De la discussion avec les interrogés, nous avons déduit que pendant l’apprentissage et l’évaluation formative les apprenants sont appelés à équilibrer les demi-équations redox sans discuter l’aspect épistémologique des concepts chimiques qui décrivent le fonctionnement d’une pile.
La deuxième partie de cette recherche s’intéresse à la démarche d’investigation menée pour appréhender le principe de fonctionnement d’une pile électrochimique. A cet égard, nous présenterons des activités efficientes d’enseignement apprentissage des thèmes précédents et qui sont élaborées par des stagiaires sous notre encadrement compte tenu de notre rôle en tant que formateurs des futurs enseignants. Nous discuterons les résultats de leurs mises en œuvre en classe en présence des enseignants responsables des stages.Mots-clés: Concept, tension, obstacles épistémologiques, résolution de problème, la démarche d’investigation.
Orateur: Prof. Mennani Mourad (Laboratoire Multidisciplinaire en Sciences de l’Éducation et en Ingénierie de Formation (LMSEIF), École Normale Supérieure Casablanca) -
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Modules hybrides « Capacité en Physique » et dispositif PrescriSciences-Physique
Dans le cadre du projet HILISIT (HybrIdation en LIcenceScIenTifique) 7 modules hybrides, portant sur la partie physique du programme de la spécialité Physique-Chimie de 1ère et terminale, ont été produits. Regroupés sous le terme « Capacité en Physique » ces modules portent sur les thèmes suivants : Mesures et dimensions, Ondes, Optique géométrique, Thermodynamique, Électricité, Mécanique et Transformations nucléaires. Ils suivent un scénario pédagogique précis où chaque sous-thème est décomposé en 4 parties : Observer, Apprendre, S’exercer, S’évaluer. De nombreuses activités numériques avec corrections automatiques sont insérées dans les deux dernières parties pour permettre aux étudiants de s’auto-évaluer et aux enseignants de suivre la progression de leurs étudiants. Le dispositif « PrescriSciences-Physique » regroupe tous ces modules avec l’ajout de tests diagnostiques afin de diversifier les usages possibles.
Ces outils servent à assurer une meilleure transition entre lycée et université pour favoriser la réussite des étudiants en première année et les accompagner dans le développement de leur autonomie. Les usages déjà réalisés avec ces outils sont nombreux : tests diagnostiques de rentrée pour affiner l’orientation, ressources complémentaires pour étudiants et enseignants pour un contrôle continu efficace, travail d’été pour rattraper une spécialité manquante, ressources pour un tutorat efficace, filières sélectives…
Au delà de la formation initiale, une utilisation en formation continue est également possible, en sélectionnant certains modules pour dispenser des enseignements thématiques sur des formations courtes, en amont de reprises d'études ou sur des diplômes de type DAEU.
Les formes d’enseignement hybride visées ne se substituent pas à l’enseignement en présentiel mais enrichissent et renforcent les ressources en les diversifiant et en intégrant des dimensions interactives et évaluatives pour aider les étudiants dans leurs apprentissages et favoriser leurs réussites.
Dans cette communication, la structure et le contenu des modules seront présentés ainsi que certains usages, dans un objectif d'amélioration du dispositif pour mieux répondre à des besoins qui pourront être exprimés lors de la présentation.
Le projet HILISIT est porté par un consortium national de l’enseignement des sciences dans les universités :
- CDUS (Conférences des Doyens et Directeurs des UFR Scientifiques)
- PROMOSCIENCES (Association pour la promotion de la Licence Sciences, Technologies, Santé)
- UNISCIEL (UNIversité des SCIences En Ligne)
- CIRUISEF (Conférence Internationale des Responsables des Universités et Institutions à dominante Scientifique et technique d’Expression Française)
- AFNEUS (Association Fédérative Nationale des Etudiant.e.s Universitaires Scientifiques
- FNEB (Fédération Nationale des étudiants en Sciences exactes naturelles et techniques)
- un premier cercle de 15 universités
Orateur: Sophie Jequier (Université de Bordeaux / Unisciel)
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10:30
Pause - Café dédiée au 25 ans d'EPJ Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
Savourez une pause-café spéciale en l'honneur des 25 ans d'European Physics Journals !
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Conférences plénières: 3 Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Président de session: Hélène Bouchiat (Laboratoire de Physique des Solides)-
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Quantum Energetics
Quantum energetics is an emerging field exploring the relationships between energy, information and entropy at quantum scales – yielding exciting questions e.g. “At the quantum level, the laws of physics are reversible, so is there anything like quantum irreversibility?” “In quantum physics, measuring can put systems in motion – so can I fuel a quantum engine, just by looking at it?”. In this colloquium, I will present the bases of the field and how it relates to thermodynamics. I will finally present how quantum energetics may contribute to keep in check the energy cost of emerging quantum technologies.
Orateur: Alexia Auffèves (Institut Néel, Grenoble) -
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Accorder les propriétés électroniques des matériaux quantiques
La compréhension du comportement des électrons dans la matière condensée a permis l´émergence de technologies révolutionnaires, largement basées sur les matériaux semiconducteurs. Les électrons dans ces matériaux sont très dilués et peuvent être décrits comme un gaz dilué au sein desquels ils interagissent faiblement.
Quoiqu´à priori familiers, les matériaux métalliques, ou basés sur des métaux de transition aux couches d partiellement remplies, exhibent bien souvent des propriétés électroniques très surprenantes, notamment à basse température.
De nombreuses phases électroniques aux propriétés parfois très différentes, incluant par exemple la supraconductivité, la nématicité électronique, des ondes de densité de charge ou de spin, émergent du fait de fortes interactions entre électrons (ou de leur topologie non-triviale) dont la nature quantique doit être explicitement prise en considération.
Ces phases exotiques coexistent, et se trouvent parfois en compétition, au sein des diagrammes de phase complexes de ces ‘matériaux quantiques’. Au-delà de leur potentiel technologique, ces matériaux défient le modèle standard des électrons dans les solides et leur compréhension représente un formidable challenge.
Dans un nombre croissant de matériaux quantiques, il a été réalisé que le réseau cristallin sous-jacent pouvait jouer un rôle actif qui peut être exploité pour changer (et contrôler) la phase électronique, permettant au passage d´en apprendre davantage sur les mécanismes microscopiques qui sous-tendent sa stabilisation.
J´illustrerai l´importance de ces aspects au travers d´exemples récents dans des supraconducteurs non-conventionnels à base de cuivre ou nickel.Orateur: Matthieu Le Tacon (Institute for Quantum Materials and Technologies)
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Atelier contre le harcèlement Salle Violette Brisson
Salle Violette Brisson
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Atelier contre le harcèlement
Un atelier-déjeuner animé par Michèle Leduc (du Laboratoire Kastler Brossel à l’ENS) sera organisé sur le thème du harcèlement dans les laboratoires de recherche. Le harcèlement sexuel est hélas assez courant : une femme sur deux révèle en avoir été victime au moins une fois dans sa carrière, selon une enquête internationale récente faite par IPSOS pour la Fondation l’Oréal [1]. Le harcèlement moral est souvent latent et non révélé [2]: un responsable de projet exerce des pressions excessives sur ses collaborateurs, parfois brutales, avec l’objectif de résultats obtenus au plus vite; ou un chef d’équipe humilie un personnel compétent en le « mettant au placard » et en le dénigrant auprès des autres, avec le résultat de lui ôter toute confiance en lui-même et de le mener à la dépression.
La discussion permettra, à partir d’exemples, d’aider les chercheurs et les chercheuses, en particulier les plus jeunes, à signaler de telles pratiques et à y résister collectivement. De tels écarts au respect dû à tous ont des racines communes avec les cas de manquement à l’intégrité scientifique, qui pourront aussi être discutés [3].
[1] Les Echos publie le 17-03-2023 le résultat du sondage international.
[2] Voir la tribune de Michèle Leduc dans Le Monde du 15 -02-2023.
[3] Voir Emmanuel Didier et Michèle Leduc « Un nouveau souffle pour l'intégrité scientifique en recherche » chez AOC
Orateur: Michèle LEDUC (Laboratoire Kastler Brossel, ENS)
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12:30
Déjeuner Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Conférences plénières: Remises de prix et conférences Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Président de session: Jacqueline Bloch (Université Paris-Saclay, CNRS, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), 91120, Palaiseau, France)-
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Quelle physique sous contrainte environnementale ? Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Nous présenterons les initiatives récentes d'intégration des enjeux environnementaux à la recherche en physique, identifiée comme nécessaire par le comité d'éthique du CNRS. La mesure de l'empreinte carbone, menée grâce à l'effort collaboratif du GDR Labos 1point5, identifie l'avion et les achats comme postes déterminants. Cette problématique recouvre naturellement celles de l'énergie, de la consommation d'eau et des moyens humains. La perspective d'une réduction de l'empreinte environnementale soulève directement la question de l'organisation et de la pratique de la recherche, mais aussi celle de ses finalités et de ses choix thématiques. Il en ressort la nécessité d'ouvrir un espace d'échanges et de débat sur ces questions, aussi bien au sein de la communauté qu'avec la société et les décideurs.
Orateurs: M. André Estevez-Torres (Laboratoire Jean Perrin, Sorbonne Université/CNRS, Paris; Lasire, Université de Lille/CNRS, Lille; GDR Labos 1point5), Guillaume Roux (Université Paris Saclay) -
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Remise du Prix Émilie du Châtelet 2022 - Marta Volonteri - L’évolution cosmique des trous noirs massifs Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Des trous noirs d'une masse allant de quelques milliers à des dizaines de milliards de masses solaires se trouvent au centre de la plupart des galaxies. Au cours de leur évolution cosmique, les trous noirs massifs interagissent avec divers environnements, depuis les galaxies désordonnées et en évolution rapide jusqu'aux galaxies quiescentes d'aujourd'hui. Ces environnements changeants affectent la croissance des trous noirs massifs et la formation de binaires de trous noirs massifs détectables par des expériences d'ondes gravitationnelles à basse fréquence.
Orateur: Marta VOLONTERI (IAP Paris) -
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Remise du Prix Jean Ricard 2022 - Jacky EVEN - Les pérovskites halogénées : une nouvelle classe de semiconducteurs pour le photovoltaïque et l’optoélectronique Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Les pérovskites halogénées font l’objet d’un intérêt croissant pour la conversion photovoltaïque depuis 2012. Ces matériaux sont compatibles avec des procédés de dépôt de couches minces à bas coût. Des avancées ont été réalisées en parallèle dans la compréhension des propriétés optoélectroniques originales de cette nouvelle classe de matériaux semiconducteurs. Malgré la progression fulgurante des performances des cellules solaires pérovskites et l’apparition de nouvelles perspectives liées aux cellules solaires tandem pérovskite/silicium et à l’optoélectronique en général, l’étude des mécanismes physiques à l’origine des propriétés structurales, électroniques et optiques reste toutefois d’actualité. Ces matériaux complexes sont en effet apparentés à plusieurs autres classes de matériaux tels que les semiconducteurs classiques, les oxydes pérovskites, les matériaux hybrides organiques/inorganiques, les cristaux plastiques et les matériaux étudiés pour la spintronique. Des nanostructures pérovskites de basse dimensionalité (2D ou 0D) permettent par ailleurs d’exalter les propriétés de confinement quantique ou les effets excitoniques, et des hétérostructures 2D/3D sont développées pour bénéficier de la stabilité accrue des pérovskites 2D.
Orateur: Jacky EVEN -
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Remise du prix Friedel-Volterra 2022 - Pasquale Dario Serpico - Messagers de l’univers comme sondes (astro)physiques Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Ces deux dernières décennies, la physique des astroparticules a traversé une période très fertile du point de vue observationnel ; ces développements ont eu un impact sur le type de problèmes théoriques que la communauté peut et doit aborder aujourd'hui, ainsi que sur le niveau de précision requis. Je vais illustrer cette dynamique fructueuse, qui a beaucoup influencé une ligne directrice de mes recherches et collaborations (notamment franco-italiennes), avec quelques résultats et réflexions sur l’antimatière dans le rayonnement cosmique.
Orateur: Pasquale SERPICO (LAPTh) -
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Présentation de l'exposition '15 Physiciennes' Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
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15:35
Pause - Café Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Session sociétale 1: Parité et égalité des chances Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Président de session: Caroline CHAMPENOIS (CNRS-AMU)-
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Sous-repr ́esentation des femmes en sciences : enjeux, explications possibles, et solutions envisageablesOrateur: Thomas BREDA
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Pourquoi les lycéennes arrêtent-elles les sciences ?Orateur: Manon REGUER-PETIT
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Table ronde
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Session sociétale 2: Instruments frugaux Salle Louis Armand Est
Salle Louis Armand Est
Président de session: François PIUZZI-
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IntroductionOrateur: Philippe AUBOURG
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Electrochimie frugaleOrateur: Emmanuel Maisonhaute (Sorbonne Université)
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Imagerie spectrale et utilisation du LIDAR en AfriqueOrateur: Mikkel Brydegaard (Université de Lund)
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ConclusionOrateur: François PIUZZI
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Session Poster 1: MC3, MC5, MC6, MC11, MC13, MC15, MC16, MC18, MC19, MC25, REDP, posters hors MC Foyer S-1
Foyer S-1
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20:00
Soirée Jeunes Les Terrasses de Jussieu
Les Terrasses de Jussieu
4 place Jussieu 75005 Paris
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08:00
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08:00
Accueil - Inscriptions Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Mini-colloques: MC02 Contributions des laboratoires français aux futurs grands collisionneurs: 1 Salle Claudine Hermann
Salle Claudine Hermann
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08:30
Accueil
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Vers de très grands collisionneurs de particules
Au cours des dernières décennies, les progrès techniques et opérationnels atteints dans le monde des accélérateurs de particules nous ont permis de faire des avancées majeures dans la connaissance des particules élémentaires et des forces qui les régissent. Au-delà de l’importante valeur de la connaissance acquise, les retombées sociétales de cette recherche fondamentale sont nombreuses.
Aujourd’hui, le patrimoine scientifique et technologique lié aux accélérateurs de particules nous permet de nous projeter dans le monde des futurs grands collisionneurs, en posant les premiers paramètres à atteindre, les défis technologiques à adresser et en s’assurant que ces options s’inscrivent dans notre engagement en matière d’environnement, de consommation énergétique et de durabilité.
Les pistes envisagées pour les futurs grands projets de collisionneurs de particules sont ainsi présentées.Orateur: Malika Meddahi (CERN) -
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Études d'instabilités transverses des faisceaux pour un projet de collisioneur muons anti-muons
Grâce à leur masse 200 fois plus grande que celles des électrons, les muons ont un potentiel intéressant pour réaliser des collisions de leptons à très haute énergie avec des accélérateurs de taille relativement réduite.
Depuis 2020 une collaboration internationale (International Muon Collider Collaboration, IMCC), et un projet européen lancé en 2023 (MuCol), étudient la faisabilité d'un collisionneur d'une énergie de 3 TeV au centre de masse, avec la possibilité d'une extension à 10 TeV.
La courte durée de vie des muons pose cependant d'importants défis en termes de physique des faisceaux de particules. Un accélérateur linéaire de grande puissance génère des paquets de protons courts et de très haute intensité qui, en heurtant une cible, créent des faisceaux de muons et d'anti-muons intenses. Les emittances transverses et longitudinales de ces paquets de muons doivent ensuite être réduites par un système de refroidissement par ionisation. Enfin une chaine d'accélérateurs doit augmenter rapidement l'énergie des muons, permettant d'allonger leur durée de vie dans le référentiel du laboratoire.
Une fois dans le collisionneur, les deux paquets de muons et d'anti-muons entrent en collision au niveau de deux points expérimentaux. Le contrôle des paramètres des faisceaux de muons, la protection des aimants supraconducteurs ou encore la minimisation de la consommation énergétique sont une partie des points clefs de la phase de conception préliminaire du collisionneur.
Des études ont été réalisées pour déterminer les seuils d'instabilités des faisceaux de muons dans la chaine d’accélération et dans le collisionneur de 10 TeV. Entre autres, des premières estimations de l'effet des cavités radio-fréquence (RF) ou de des matériaux utilisés pour les chambres à vide ont ainsi été obtenues. Ces résultats alimenteront les choix de conception pour les aimants ou les systèmes RF des accélérateurs.
Orateur: David Amorim (CERN) -
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the FCC feasibility study from the Physics, Experiments and Detectors point of view
A feasibility study for the Future Circular Collider is taking place from 2021 to 2025. In this presentation we discuss the studies going on concerning the PED (Physics, Experiments and Detectors) part, in particular those done in the CNRS/IN2P3 and CEA/IRFU labs. We also describe why FCC is the most promising future facility for High Energy Physics.
Orateur: Gregorio BERNARDI (APC-Paris CNRS/IN2P3) -
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Prédictions de précision pour la physique du LHC et au-delà
Présentation de techniques de calculs de resommation en QCD perturbative dans le but de réduire les incertitudes des prédictions théoriques en physique des particules. Applications à des observables du Modèle Standard, ainsi que des recherches au-delà dans divers scénarios de nouvelle physique. Productions phénoménologiques à l'interface entre théorie et expérience des grands collisionneurs (LHC et futurs).
Orateur: Yehudi Simon (LPTHE - Sorbonne Université) -
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Un laboratoire souterrain en Afrique Australe
Le projet qui se nomme “PAUL” pour Paarl South Africa Underground Laboratory, penche pour un laboratoire de type LSM-Modane. Son profil géologique et les études effectuées depuis 2013 montrent qu’il est similaire au profil géologique de Modane. Une description de l’initiative se trouve ici: https://docs.google.com/document/d/1fqoPX0j8WerWsSkWR3tjosvkq60HkfwD/edit
Les perspectives scientifiques sont assez large: Bien entendu le but principal étant l’astroparticle avec la recherche de matière noire mais d’autres disciplines qui s’intéressent aux travaux et recherches dans des laboratoires souterrains, tel les rayonnements (pour le médical) ou la géologie(sismologie) ou la muographie etc… sont considérés.une collaboration étroite entre la France/IN2P3, le LSM-Modane et l’Afrique du Sud(Cape Town, Stellenbosch, iThemba Labs) est en négociation et pourrait démarrer par une mise en place d’un réseau des physiciens afin de former les physiciens et les étudiants aux activités scientifiques d’un laboratoire souterrain et préparer le projet.
Plusieurs personnes de notre communauté (CNRS) sont actuellement établis dans des pays Africains, en RdC ou au Kenya par exemple avec le but de monter des écoles doctorales de physique fondamentale. Avec ces physiciens et leurs projets, le réseau de collaboration pourrait s’agrandir et favoriser l'émergence d'une communauté dans le Sud et les pays en voie de développement et serait une passerelle avec l'Afrique.Orateur: Fairouz MALEK (CNRS/IN2P3/LPSC)
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08:30
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Mini-colloques: MC04 Mécanique et le vivant: 1 Salle Cécile Renault
Salle Cécile Renault
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Mitosis mediates nuclear regulation of cancer cells under confinement
There are number of evidences indicating that both tumour micro-environment and mechanics are playing an important role in the malignant transformation of cells and resistance to treatment. We try to take into account these important issues (micro-environment and mechanics) by developing original techniques enabling to precisely control cell micro-environment, including the applied mechanical stress. In particular, we have developed agarose-based microsystems that enable a precise control of cell micro-environment in terms of mechanics (stiffness, stress) and transport of molecules (through a porous matrix) ([1-3]). Combined with multipositions time-lapse microscopy and image analysis, we are able to decipher cell response in-situ in such confined situation, at the single cell level and over space and time.
In particular, the presence of deformed nuclei has been observed in vivo in many different type of tumour. Most studies analyzing cell response to such confined situations are limited to short periods, and little is still known about cell adaptation to prolonged squeezing, implying several cell divisions.
Using a hydrogel-based confinement system that allows the simultaneous application of different degrees of confinement, we reveal the unsuspected role of mitosis in long-term adaptation to prolonged mechanical confinement. We show that after 24h, nuclei adapt their volume to the degree of confinement by reducing their size. Surprisingly, this regulation is not linked to a slowdown in growth during cell cycle progression but occurs during confined cell division. Since confinement increases the mechanical stress within the nucleus, we use nuclear blebs as a proxy and show that this stress is also relaxed during the first mitosis under confinement, in a contractility-dependent manner. Nuclei are reaching a new homeostasis state, with no further regulation observed for the next cell generation. Using a simple geometric model, we show that the apparent surface of the nuclear envelope is the target for this new nuclear volume.
Our findings have important implications for our fundamental understanding of nuclear regulation under mechanical constraints, and should also be of primary importance in the context of cancer progression.[1] Rivière C et al., Plaque de Micropuits En Hydrogel Biocompatible. Patent 2018:FR3079524A1
[2] A. Prunet et al., A new agarose-based microsystem to investigate cell response to prolonged confinement, Lab on a Chip. 20:4016–4030 (2020)
[3] S. Goodarzi et al., Quantifying nanotherapeutic penetration using a hydrogel-based microsystem as a new 3D in vitro platform, Lab on a Chip. 21:2495–2510 (2021)Orateur: Charlotte RIVIERE (ILM/CRCL) -
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Course d’obstacles pour l’invasion de l’air dans le réseau hydrique de feuilles biomimétiques
En cas de sécheresse, l'eau contenue dans les circuits hydrauliques du xylème des arbres est soumise à des pressions très négatives. Des bulles de cavitation peuvent alors se former, initiant une embolie d'air qui se propage, conduisant à l'arrêt de la circulation de la sève. Des observations sur des feuilles réelles ont montré que l'embolie progresse par une succession de longs arrêts et de sauts soudains.
Pour comprendre la nature des sauts, nous proposons un modèle expérimental, des feuilles biomimétiques en silicone (PDMS), de faible épaisseur et perméable à l’évaporation de l’eau [1,2]. Les veines de ces feuilles artificielles sont des canaux remplis d'eau, et nous avons introduit des rétrécissements pour imiter les ponctuations (petits trous) entre les canaux des vraies feuilles.
Nous avons observé que les sauts de l’air après à constriction sont dus à la libération... d'une déformation élastique des canaux ! Les sauts surviennent lorsque l’interface eau/air est coincée et que l'évaporation se poursuit. Les sauts du ménisque peuvent atteindre directement la constriction suivante, ou alors stopper au milieu du canal suivant et s’ensuit une lente progression de l'évaporation. Un modèle simple permet de capturer cette dynamique saccadée, qui rappelle le stick-slip, et est appliqué avec succès à des données quantitatives extraites d'expériences réalisées avec de vraies feuilles de la fougère de l’espèce Adiantum.
Orateur: Philippe MARMOTTANT (Laboratoire Interdisciplinaire de Physique, CNRS et Univ. Grenoble Alpes) -
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Bacterial exploration in complex environments
Bacterial motility and intestinal mucus quality have both been shown to be important issues related with different pathologies (diabeta, obesity, IBD...). In this context, I aim at understanding the properties of bacterial exploration in such environments which could open new ways for treatments and cure.
To study this complex medical problematic with a physicist eye, I was led to understand the exploration process of bacteria with different aspects :
- I shed light on the importance of confinement on transport properties and addressed the question of a memory process (BV model).
- I've tried to elucidate the emergent hydrodynamic properties of bacteria from anatomical reasons, specifically on surface.
- I studied the rheology of yield-stress fluids (clay, mucin, suspensions) and the impact on bacterial swimming.
I eventually worked directly on intestinal piglets mucus that I have prepared and propose a preliminary in vitro trial to quantify the bacterial penetration of the mucus barrier.The experiments have been done using an original 3D-lagrangian tracking system that I was brought to improve (using AI in particular).
Orateur: renaud Baillou (Sorbonne Université) -
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Tilt-induced clustering of cell adhesion proteins
Cell adhesion proteins are transmembrane proteins that play a crucial role in the binding of cells to one another, as well as to the extracellular matrix that surrounds them. Cell adhesion proteins can typically organize into clusters that can take various forms, from circular patches to long linear structures. Here, we propose that the tilt between the extracellular protein domain and the cell membrane could trigger a clustering mechanism. Based on a Flory-Huggins-type framework, we show that the coupling between the membrane undulation and the symmetry-breaking effect of the protein tilt yields an effective line tension that is negative, allowing for stable clusters to form. Our model predicts a variety of clustering patterns, including the experimentally observed circular patches and long linear structures, as well as curved lines, rings, Turing-like patterns, or cross-linked networks, depending on the strength of the membrane-protein tilt and the chemical potential of protein binding. Our findings suggest a potentially critical role of the tilt effect of cell adhesion proteins in regulating the cluster formation of cell adhesion proteins.
Orateur: Shaozhen LIN (CPT, CENTURI, Université Aix-Marseille) -
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Actin-induced shape changes on giant unilamellar vesicles, effects of membrane composition and gel structure.
Cell shape changes are crucial for many biological processes, including cell division and motility. Such shape changes are fueled by the dynamics of the actin cortex, which can reshape the cell membrane. The mechanisms of these shape changes are difficult to decipher in the complex environment of the living cell. Therefore, biomimetic experiments coupling reconstituted membranes and actin networks allowed for deciphering how actin dynamics can reshape biological membranes. In this talk, we will present how the deformations induced by Arp2/3 actin networks on GUVs (Simon, 2019) are modulated when the mechanical properties of their lipid membrane (its bending rigidity and the presence of lipid domains) are tuned and when the gel structure is modified in the presence of crosslinking proteins. These studies highlight how membranes and actin networks synergistically interact for the emergence of a variety of shape changes.
Orateur: Clément Campillo (Université d'Evry Paris Saclay) -
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Microrheology and structural quantification of blood clots as a diagnosis of hypercoagulability
Clotting is the process by which the flow of blood is stopped after an injury. This process may occur pathologically, in both arteries and veins. In the venous system, the severe forms are called Venous Thromboembolic Events which include Deep Vein Thrombosis and Pulmonary Embolism. Today, 50% of recurrent Venous Thromboembolic Events remain unexplained. Hypercoagulability is likely due to a modification of the conditions of polymerization of the fibrin, the main clot component. Using passive microrheology, we measured the mechanical properties of clots and correlated them under the same conditions with structural information obtained with confocal microscopy. We tested our approach with known alterations: an excess of fibrin monomer and of coagulation Factor VIII. We observed simultaneously a rigidification and densification of the fibrin network, showing the potential of microrheology for hypercoagulability diagnosis.
Orateur: Nathalie Westbrook (Laboratoire Charles Fabry) -
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Mass and viscoelasticity of single cells
In recent years, there has been a growing interest in understanding the mechanical behavior of cells. To gain an in-depth understanding of the physical properties of cells, such as their mass, elasticity, and viscosity, we developed and improved novel techniques allowing to perform single cell measurements for these quantities. These techniques involve the use of micro-mechanical oscillators, which are brought in contact with the cells.
These advances have been made possible by the rigorous control over the actuation and detection of the sensors, which allows for highly accurate measurements. By comparing the oscillation characteristics of the sensor before and after contact with the cells, one can infer the mechanical properties of the cells with high precision.
One exciting application of this technology is the measurement of cell mass during the cell cycle. By measuring the cell mass of budding yeast cells during the G2 phase, insights into the fundamentals of cell growth can be gained.
Another important application is the measurement of the viscoelastic properties of cells. This technique enables researchers to measure the local-scale viscoelastic dynamics of cells stemming from fast molecular processes, as well as the slow, more global viscoelastic dynamics of cells. This allows for a more comprehensive understanding of the physical properties of cells and their behavior under different conditions.
Overall, these innovative techniques represent a significant advancement in the field of cell mechanics and have the potential to unlock new insights into the workings of living systems at the cellular level.Orateur: Marco PORTALUPI (Nanosurf)
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Mini-colloques: MC06 La gravitation et l'antimatière: 1 Salle Violette Brisson
Salle Violette Brisson
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The dark matter puzzle
The problem of missing mass in the Universe, at the scale of galaxies,
large-scale structures, and its global content, is a multi-faceted
enigma. In the cold dark matter scenario, one of the main candidate for the
non-baryonic particles, is the neutralino, the most stable of the
super-symmetric particles.
However, supersymmetry does not appear as expected in the LHC
experiments at CERN. Many other models have blossomed in recent years,
we will describe some alternatives such as axions, sterile neutrinos,
or modified gravity.Orateur: Francoise Combes (Observatoire de Paris) -
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Cosmological structure formation with negative mass
The possible existence of particles with negative mass has long been considered, starting from the seminal work of H. Bondi [1]. In a cosmological context, it was shown more recently that negative mass solutions are viable in a de Sitter universe [2]. Negative masses have also been considered in bi- and multi-metric extensions of General Relativity [3].
Besides, one cannot but note the peculiarity of the standard cosmological model, which - although impressively concordant on primordial nucleosynthesis, cosmic microwave background, baryonic acoustic oscillations, and supernovae luminosity distances - features an odd composition, with dark matter and dark energy, two unidentified components, supposedly representing approximately 96% of the mass/energy content of the Universe.
In this broad context, Benoit-Levy and Chardin [4] proposed a symmetric matter-antimatter universe where antimatter particles possess a negative gravitational mass. Such "Dirac-Milne" universe appears as gravitationally empty (or coasting) at large scales and is remarkably concordant without any adjustable parameter, in particular without the need for a dark energy component [5].
In order to explore such alternative cosmological scenarios, we constructed a family of Newtonian non-relativistic models with equal amounts of particles with negative and positive gravitational mass, which includes the Dirac-Milne scenario as a special case. We perform N-body numerical simulations of these negative-mass models for an expanding one-dimensional universe and study the associated formation of large-scale gravitational structures, focusing in particular on the Dirac-Milne case. The differences and analogies with a matter-dominated Einstein-deSitter universe and with the standard $\Lambda$CDM cosmological model are highlighted and discussed [6]. On a local scale, the Dirac-Milne model is shown to reproduce some of the features usually attributed to dark matter, or to modified Newtonian dynamics (MOND) theories [7].
References
[1] H. Bondi, Rev. Mod. Phys. 29, 423 (1957).
[2] S. Mbarek and M.B. Paranjape, Phys. Rev. D 90, 101502 (2014).
[3] M. Hohmann and M. N. R. Wohlfarth, Phys. Rev. D 80, 104011 (2009); S. Hossenfelder, Phys. Rev. D 78, 044015 (2008).
[4] A. Benoit-Levy and G. Chardin, Astronomy & Astrophysics 537, A78 (2012).
[5] G. Chardin, G. Manfredi, Hyperfine Interactions, 239: 45 (2018); arXiv:1807.11198
[6] G. Manfredi, J.-L. Rouet, B. Miller, G. Chardin, Phys. Rev. D 98, 023514 (2018); Phys. Rev. D 102, 103518 (2020).
[7] G. Chardin, Y. Dubois, G. Manfredi, B. Miller, C. Stahl, Astronomy & Astrophysics 652, A91 (2021).Orateur: Giovanni MANFREDI (Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg) -
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Antimatter gravity experiments at CERN
A rich program to test the behaviour of antimatter in gravitational fields is ongoing at CERN. The Antiproton Decelerator facility provides a low energy antiproton beam that allows the efficient trapping of antiprotons and successful synthesis of antihydrogen. Antiproton and antihydrogen spectroscopy experiments are now able to investigate annual variations, signature of a gravitational redshift. A direct test of the universality of the free fall is also within reach and it is no less than three experiments now on a quest to lead antihydrogen to its free fall.
These singular antimatter experiments convene techniques from different fields in physics in order to tackle their specific challenges. This talk will review the principles behind the CERN experiments, their status and future developments.Orateur: Pauline Comini (Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives) -
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Pulsed production of antihydrogen at AEgIS for gravity measurements
The AEgIS experiment is an international collaboration based at CERN aiming at measuring the free fall of antihydrogen in the Earth’s gravitational field. To this end, AEgIS makes use of a charge exchange reaction where a cold antiproton plasma stored in a Pennning trap is exposed to a pulsed cloud of positronium atoms prepared in highly excited Rydberg states. Positronium (the bound state of an electron and a positron) is transferred to Rydberg states by two-photon resonant laser excitation which strongly enhances the probability to transfer a positron from positronium to the antiproton and form antihydrogen.
With this scheme, AEgIS recently demonstrated the first pulsed production of antihydrogen with an uncertainty of 250ns in the production time. This achievement is a milestone on the AEgIS roadmap towards measuring gravity on antihydrogen which is based on the use of an antiatomic deflectometer. In this scheme, a pair of transmissive gratings selects atoms with a well-defined velocity component in the plane orthogonal to the direction of the gravitational pull. The deflection of the fringe pattern created by the deflectometer is proportional to the gravitational pull and to the square of the time-of-flight of the atoms.
AEgIS is now focusing on increasing the antihydrogen production yield. A record high 50% antiproton trapping efficiency was demonstrated with the newly commissioned ELENA (Extremely Low ENergy Antiproton) decelerator. In addition to this development, a new geometry for the charge exchange reaction avoiding the self-ionization of high Rydberg states by motional Stark effect in a strong magnetic field has been designed as well as many other improvements over the recent long shutdown period without antiproton beamtime. Among others, the production trap electrodes have been upgraded to reach colder antiproton plasmas temperature and the laser path has been redesigned to avoid depositing energy and desorb gas from the trap’s wall in the production trap area.
We will present the AEgIS experiment and report on recent achievements as well as future plans to measure the free fall of antihydrogen at AEgIS.Orateur: Antoine Camper
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Mini-colloques: MC08 Dernières avancées dans le domaine des technologies quantiques: 2 Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
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Communications sûres dans un monde quantique
Les technologies quantiques ont le potentiel d'améliorer d’une manière inédite la sécurité et l'efficacité des communications dans les infrastructures de réseau. Dans cet exposé, nous discutons du paysage actuel de la communication et de la cryptographie quantiques, et nous nous concentrons en particulier sur des implémentations photoniques des protocoles de réseaux quantiques, permettant la distribution de clés secrètes, la vérification d'intrication multipartite et la transaction d'argent quantique, avec des garanties de sécurité impossibles à réaliser avec les seules ressources classiques. Nous décrivons également les défis actuels dans ce domaine et nos efforts pour la miniaturisation des systèmes photoniques développés, et leur intégration dans les infrastructures de réseaux de télécommunications, y compris avec des liaisons satellitaires. Ces avancées enrichissent les ressources et les applications des réseaux quantiques émergents qui joueront un rôle central dans le contexte des futures communications à sécurité quantique à l'échelle mondiale.
Orateur: Eleni DIAMANTI (CNRS, Sorbonne Université) -
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Entangled photonic qudits encoded in 21GHz spaced frequency bins generated on-chip using a silicon microring for Quantum Communications with telecom devices.
High dimensional quantum states, qudits, leverage the ability to store more information in a single photon. They can be used for quantum computing and quantum cryptography, as they are also enable more tolerant to noise [1]. Frequency domain, for example, grants access to a high dimensional Hilbert space. It is furthermore compatible with integration and can leverage multiplexing, since all frequency components can travel in a single fiber. Recent works demonstrated on-chip generation of frequency entangled qudits using micro-ring resonators [2, 3] with a dimension up to D = 8, at telecom wavelengths. The generation of qudits of dimension up to D = 4 has also been demonstrated with an array of four Silicon-On-Insulator (SOI) micro-resonators [4].
In this work, we use a SOI micro-ring resonator to generate frequency-bin entangled photon pairs through four-wave mixing (FWM) non linear process. The frequency bins are separated by a free spectral range (FSR) of 21GHz (see Fig.1 a). The FSR smaller than the 200 GHz FSR harnessed in [3] allows us to manipulate the photon pairs using off-the-shelf electro-optic modulators (EOM) and programmable filters (PF) (see Fig. 1 b). Commercial EOMs are limited to 40 GHz. The PFs select the frequency modes of interest while the EOM enable scattering in a supperposition of modes. We measure quantum interferences of qudits up to D = 5 (see Fig. 1 c and d).
The broadband emission of our source allows us to generate up to 9 pairs of frequency entangled qutrits (qudits with D = 3) over a 5 THz bandwidth, each displaying two-photon interference visibility higher than 90% (see Fig. 1 e). Therefore we can create a fully connected Quantum Key Distribution (QKD) network between up to five users, using high dimensional quantum states.
Fig. 1: https://i.postimg.cc/s2GJZw9r/Figure-1.png
a) Sketch of the emission spectrum of the microring resonator. b) Setup for manipulation of frequency entangled qudits. c) and d) Two-photon interferences of qudits, e) visibility of qutrit (D = 3) interferences over the emission bandwidth. FWM : four wave mixing, ωp : Pump frequency, Sn and In : Signal and Idler entangled photons, FSR : free spectral range, EOM : electro-optic modulator, PF : programmable filters.
References:
[1] Nicolas J. Cerf et al. Security of Quantum Key Distribution Using d-Level Systems. Phys. Rev. Lett. 88, 127902 (2002).
[2] Hu Hsuan-Hao et al. Bayesian Tomography of High-Dimensional
on-Chip Biphoton Frequency Combs with Randomized Measurements. Nature
Communications 13, n° 1 (2022).[3] M. Kues et al. On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature 546, n° 7660 (2017).
[4] Marco Clementi et al. A reconfigurable silicon photonics chip for the generation of frequency bin entangled qudits. arXiv 2301.08475 (2023).
Orateur: George CRISAN (Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, C2N) -
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A faster source to generate optical Schrödinger cat states
The field of quantum information consists in exploiting quantum superposition of information bits to bring new perspectives for multiple applications such as quantum communications or quantum computing. Our team works on the development of one possible way to encode quantum information with light. Indeed, it is possible to use coherent state coding, with optical Schrödinger cat states, as a basic resource for quantum communications, for basic quantum gates, or the production of more complex quantum states of light. For all this reasons these states are interesting ones, and we are working on their generation on free-propagating light pulses, focusing on the increase of the generation rate (currently limited to a few hundreds of hertz) to unlock future potential applications.
The experiment is conducted with a Ti:Sa Laser at 850nm (76MHz, 4ps) and includes a single photon pair source (second harmonic generation in first exaltation cavity followed by fluorescence parametric down conversion in a second cavity), a single photon detection system (spatial and spectral filtering + avalanche photodiode), a 60 meters delay line to synchronize the electronic systems, a quantum memory cavity (including a very fast Pockels Cell) that can store single and two photon Fock states for instance [1], a homodyne detection system and a phase measurement path.
The generation and storage of our Schrödinger cat states is obtained through the manipulation of the polarization of single photons stored inside our quantum memory cavity, and through a conditioning with our homodyne detection system. We have been able to generate Schrödinger cat states inside the quantum memory cavity and to store them during 184ns before releasing and measuring them to reconstruct their Wigner function.
The first tests of our protocol has led us to a generation rate of about 100Hz with a corrected fidelity of almost 50% and a visible negativity of the Wigner function.[2]. These performances are expected to improve in the future.The major point of this experiment is that the presence of the quantum memory cavity enables us to increase the generation rate by a factor N, where N is the number of storage turn in the quantum memory cavity. Furthermore, the storage of the cat states would enable us to use them for growing protocols [3].
For this conference, we would present our cat states generation protocol, our first or new results of generated and stored cat states, and the possible improvements to increase this generation rates up to the kilohertz or more.
References:
[1] Bouillard et al. "Quantum storage of single-photon and two-photon fock states with an all-optical quantum memory." PRL 122.21 (2019): 210501.
[2] Cotte et al. "Experimental generation of coherent-state superpositions with a quantum memory." PRR 4.4 (2022): 043170.
[3] Etesse et al. "Iterative tailoring of optical quantum states with homodyne measurements." Optics Express 22.24 (2014).Orateur: Viviane Cotte -
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Broadband Biphoton Generation and Polarization Splitting in a Monolithic AlGaAs Chip
Summary
Integrated quantum photonics is a key tool towards large scale quantum technologies. In this work we present an AlGaAs-based photonic circuit for on-chip generation and manipulation of broadband orthogonally polarized photon pairs [1]. Among different platforms used for the development of quantum photonic chips AlGaAs is extremely interesting for integrability [2]. This material has a direct bandgap, enabling monolithic integration of active components [3] and presents a large electro-optic effect that can be exploited for the manipulation of photonic states [4]. In this work, broadband orthogonally polarized photon pairs are generated by Type-II spontaneous parametric down conversion in AlGaAs Bragg reflection waveguides at telecom wavelengths and room temperature [5]. Orthogonally polarized photons are deterministically separated over a broadband frequency range through a birefringent directional coupler. This device is based on evanescently coupled waveguides; by a careful design of an induced birefringence, photons of the pair are separated, following their different polarizations, in two different spatial modes. We demonstrate that 85% of the pairs are deterministically separated over a 60 nm bandwidth. The performances of the device as a quantum photonic circuit are assessed by implementing at the chip output a Hong-Ou-Mandel interferometer, one of the most fundamental nonclassical experiments in quantum optics lying at the heart of many quantum logic operations; the obtained visibility is 75.5% for a 60 nm-broad biphoton state. These results, obtained at room temperature and telecom wavelength represent a significant step towards real-world quantum photonic integrated circuits working in the broadband regime.Reference
1) F. Appas et al. “Broadband biphoton generation and polarization splitting in a monolithic AlGaAs chip”, ACS Photonics 2023 , “https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01900”
2) F. Appas et al., "Nonlinear Quantum Photonics With AlGaAs Bragg-Reflection Waveguides," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 23, pp. 7658-7667, (2022)
3) F. Boitier et al. “Electrically injected photon-pair source at room temperature”, Phys. Rev. Lett. 112, 183901 (2014)
4) J. Wang et al. “Gallium arsenide (GaAs) quantum photonic waveguide circuits” Optics Communications 327, 49 (2014)
5) F. Appas et al. “‘Flexible entanglement-distribution network with an AlGaAs chip for secure communications’ npj Quantum Information 7, 118 (2021)Orateur: Othmane Meskine (Université Paris Cité, CNRS, Laboratoire Matériaux et Phénoménes Quantiques, 75013 Paris, France) -
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Deterministic Free-Propagating Photonic Qubits with Negative Wigner Functions
Engineering quantum states of free-propagating light is of paramount importance for quantum technologies. Coherent states ubiquitous in classical and quantum communications, squeezed states used in quantum sensing, and even highly-entangled cluster states studied in the context of quantum computing can be produced deterministically, but they obey quasi-classical optical field statistics described by Gaussian, positive Wigner functions. Fully harnessing the potential of many quantum
engineering protocols requires using non-GaussianWigner-negative states, so far produced using intrinsically probabilistic methods.We will present the first fully-deterministic preparation of non-Gaussian Wigner-negative freepropagating optical quantum states. In our setup, a small atomic cloud placed inside a mediumfinesse optical cavity and driven to a highly-excited Rydberg state acts as a single two-level collective “superatom”. We coherently control its internal state, then map it onto a free-propagating light mode to produce an optical qubit cos(θ/2) |0⟩+sin(θ/2) |1⟩ encoded as a quantum superposition of 0 and 1 photons. Its single-photon character is revealed by photon correlation measurements showing strong antibunching with a residual 0.5% probability of having two photons per pulse. The generated states are emitted in the desired spatio-temporal mode with a high 60% efficiency. Using an homodyne tomography we measure the density matrix leading to Wigner functions. In agreement with theoretical predictions, these functions are quadrature-squeezed for small qubit rotation angles θ, and develop a negative region when θ approaches π and the one-photon component becomes dominant. Our platform featuring a new approach of cavity quantum electrodynamics realizes a long sought goal of quantum optics, while holding promises for photonic quantum engineering applications.
Orateur: Valentin MAGRO (JEIP, Collège de France)
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Mini-colloques: MC14 Sources de photons sur accélérateurs pour l'étude des biomolécules en phase gazeuse: 1 Salle Cécile DeWitt-Morette
Salle Cécile DeWitt-Morette
Président de session: Debora Scuderi (Institut de Chimie Physique, CNRS-Université Paris Saclay)-
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Photoemission and state-selected fragmentation of “aromatic cyclo-dipeptides” in the gas-phase
Photoemission and state-selected fragmentation of “aromatic cyclo-dipeptides” in the gas-phase
Linear (ℓ-) and cyclo (c-) dipeptides built by linking two aminoacids via one/two peptide bonds, are the simplest peptides present in nature. They are the object of widespread interest since the 50s of the previous century due to their central role in several areas such as development of therapeutics[1] and preparation of nanostructured materials[2]. It has also been proposed that c-dipeptides may have played a role in the emergence of life in the early universe[3] thanks to both their capability to withstand radiation and to produce crucial intermediates for the development of peptide chains[4]. Moreover, among the ℓ- and c-dipeptides the ones containing an aromatic aminoacid in the side chain are of interest for the study of the dynamics involving energy and charge transfers[5] in bio-systems.
In this work we present a combined experimental and theoretical study of the electronic structure and state-selected fragmentation of three different c-dipeptides containing aromatic aminoacids in the side chains.
A systematic ab-initio study implemented with different computational methods allowed to explore geometry, energy levels, electronic wave-functions and optical properties of c-GlyPhe, c-TrpTrp and c-TrpTyr. Valence photoemission (PES), mass spectrometry (MS) and photoelectron-photoion coincidence, PEPICO, measurements have been performed at the CIPO beamline[6] of Elettra synchrotron facility. From the comparison between the calculated density of states (DOS) and the experimental PES spectra typical fingerprints due to the presence of the aromatic side chain have been identified in all the three samples[7], evidencing the key role of the side chain in determining the photo-chemical properties of this class of molecules. The correlation between the electronic distribution of the molecular orbitals and the production of certain fragments has been investigated via PEPICO experiments, allowing us to obtain information on fragmentation pathway versus binding energy (BE) as well as approximate onsets for the production of specific fragments and correlation among different channels.Acknowledgment: PRIN 20173B72NB “Predicting and controlling the fate of biomolecule driven by extreme-ultraviolet radiation”. COST Action CA18212 MD-GAS “Molecular Dynamics in the GAS phase”.
References
[1] Zorzi, A. et al., Curr. Opin. Chem. Biol., 38, 24−29 (2017).
[2] Ziganshin, M. A. et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 19, 13788−13797 (2017).
[3] Ying, J. et al., Sci. Rep., 8, 936 (2018).
[4] Barreiro-Lage, D. et al., J. Phys. Chem. Lett., 12, 7379−7386 (2021).
[5] Weinkauf, R. et al, J. Phys. Chem., 100, 18567-18585 (1996).
[6] Derossi. A. et al, Rev. Sci. Instrum., 66, 1718-1720 (1995).
[7] Molteni. E. et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 23, 26793–26805 (2021).Orateur: Laura CARLINI (Istituto di Struttura della Materia - Consiglio Nazionale delle Ricerche) -
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Identification of gas phase DNA bases specific isomers via high accuracy single photon ionization and ab initio computations
DNA/RNA bases and amino acids are building blocks of life. The spectroscopy and stability of their ionic forms are relevant to their survival rate under interstellar conditions, and to the field of radiation damage, where ionizing radiation can lead to DNA/RNA strand breaking and production of hazardous by-products through processes involving nucleobases.
Several experimental works at BESSY II, Advanced Light Source and synchrotron SOLEIL were devoted to unveil the structure and the spectroscopy of the cationic species of DNA bases and amino acids and analogues. Since they possess numerous tautomers and isomers that lie close in energy, the experimental characterization of a unique tautomer is challenging. For this purpose, we apply single photon VUV synchrotron based experiments combined with state-of-the-art ab initio computations.
Experimentally, we use the VUV light emitted by the DESIRS beamline of synchrotron SOLEIL coupled to the double imaging photoelectron photoion coincidence (i2PEPICO) spectrometer DELICIOUS3. [1] The coincidence scheme allows the photoelectron images to be filtered as a function of mass and ion kinetic energy in a multiplex manner. Treatment of such photoelectron images as a function of the photon energy leads to the threshold / slow photo electron spectra of the selected masses. [2] Theoretically, the structures and the energetics of neutral and cationic molecular systems are determined using post Hartree-Fock-density functional theory composite schemes. We also treat these species in their electronic excited states using configuration interaction methods.[3] Afterwards, we use the theoretical results to disentangle the complex features observed experimentally.
Our combined theoretical and experimental approach can be applied to several DNA bases and analogues presenting a dense pattern of electronic and/or isomeric and/or tautomeric forms in their spectra. In sum, we established a non-equivocal way to characterize the neutral DNA bases in gas phase prior to photoionization. Also, we derive a set of thermodynamical data of specific gas phase tautomers/isomers/rotamers produced in a molecular beam (e.g. adiabatic ionization energies, bond energies). Several examples will be presented. [4-9]
This work is a long term collaborative project involving colleagues from Synchrotron SOLEIL, CNRS, CEA, U. Paris Saclay, Sorbonne U., U. PE Créteil, U. Gustave Eiffel, King Saud U., City U. Hong Kong, and U. Tunis.References
1. http://www.synchrotron-soleil.fr/portal/page/portal/Recherche/LignesLumiere/DESIRS
2.Poully et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 3566 (2010).
3.Hochlaf. Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 21236 (2017).
4.Schwell, Hochlaf. TCC 355, 155 (2015).
5.Chen et al. J. Am. Chem. Soc. 138, 16596 (2016).
6.Mahjoub et al. ChemPhysChem 12, 1822 (2011).
7.Majdi et al. J. Phys. Chem. A 119, 5951 (2015).
8.Y. Zhao et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 20756 (2018).
9.Laamiri et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 24, 3523-3531 (2022).Orateur: Majdi Hochlaf (U. Gustave Eiffel) -
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XUV and X-ray spectroscopy of phthalocyanines in the gas-phase
Phthalocyanine are synthetic molecules closely related to the natural porphyrines. Thanks to their rich photophysics and photochemistry, they show promising potential in a wealth of applications, including biology or medicine. We are particularly interested in transition-metal containing molecules and, more precisely, to the interaction between 3d orbitals of the metal and its surrounding N 2p orbitals. The strong mixing between the metal and ligand's orbitals is known to enhance intramolecular charge transfer when photoexcited with visible light. Through a series of gas-phase synchrotron radiation-based experiments at the french synchrotron SOLEIL, we will show that this interaction can be probed locally at the metal or at the nitrogen site through multi-threshold electron spectroscopy, combined with several level of theory to simulate our spectra. Furthermore, we highlighted intriguing electronic processes such as interatomic Coulombic decay-like mechanisms, where the metal can participate to the relaxation of a core-hole in the ligand, or Fano-type interferences between resonant and non-resonant pathways to the same ionized state.
Orateur: Gildas GOLDSZTEJN (UMR8214) -
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Toward Elucidating Solvation Effects in Photoelectron Circular Dichroism
Photoelectron circular dichroism (PECD) — the forward-backward asymmetry in photoemission from chiral molecules photoionized by circularly polarized light — is an exquisitely sensitive experimental probe, capable of determining enantiomeric excess and electronic and molecular structures in chiral samples. Although the use of PECD to study chiral biomolecules under physiologically relevant conditions promises to reveal otherwise inaccessible interactions, for example the nature of chirality transfer between the chiral solute and the solvent shell, PECD has until now been exclusively demonstrated in the gas phase. PECD is a threshold effect, with effect magnitude increasing as photoelectron kinetic energy decreases. However, scattering of photoelectrons in liquids increases commensurately at low energies, thereby leading to unavoidable convolution of PECD signals with the low-energy secondary electron background.[2] Despite these challenges, we have recently successfully measured core-level PECD in neat liquid fenchone, and in aqueous solutions of alanine, the latter under both neutral and basic conditions. These results constitute the first measurements of PECD in the liquid phase. We will discuss recent developments that have enabled these measurements, and will highlight our recent efforts to draw connections between gas- and liquid-phase experiments, with the aim of resolving solvation-based effects in PECD from biomolecules.
Orateur: Dominik Stemer (Fritz Haber Institute - Max Planck Society) -
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Condensation Effects on Electron Chiral Asymmetries in the Photoionization of Serine
Structural changes at the molecular level, occurring at the onset of condensation, can be probed by angle-resolved valence photoelectron spectroscopy, which is inherently sensitive to the electronic structure. For larger condensed systems like aerosol particles, the observation of intrinsic angular anisotropies in photoemission (β parameters) is challenging due to the strong reduction of their magnitude by electron transport effects. Here, I will introduce a less common, more sensitive observable in the form of the chiral asymmetry parameter to perform a comparative study of the VUV photoelectron spectroscopy and photoelectron circular dichroism (PECD) between pure gas phase enantiomers of the amino acid serine and their corresponding homochiral nanoparticles. I will show how a relatively large (1%) and strongly kinetic energy-dependent asymmetry might be rationalised in terms of the emergence of local order and conformational changes potentially counterbalancing the loss of angular information due to electron transport scattering. This demonstrates the potential of PECD as a sensitive probe of the condensation effects from the gas phase to bulk-like chiral aerosol particles surpassing the potential of conventional photoemission observables such as the anisotropy parameter.
Orateur: Gustavo GARCIA-MACIAS (Synchrotron SOLEIL)
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Mini-colloques: MC15 Matière molle : des concepts fondamentaux à la fabrication de systèmes originaux: 2 Salle Louis Armand Est
Salle Louis Armand Est
Président de session: FREDERIQUE GIORGIUTTI-DAUPHINE (LABORATOIRE FAST)-
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Throwing soft objects with the superpropulsion effect
Among primates, humans are the only ones who can throw objects with speed and precision, a skill that was one of the foundations of ancient hunter-gatherer societies. Today, throwing objects is not as essential as it once was, but it remains a source of wonder and performance, especially in sports. It is thus remarkable that it seems more natural and efficient to perform a shot put with a weight of several kilos than with a 50 gram golf ball: if you perform an overarm throw with a light object, you have the frustrated impression that you can not mobilize all your strength and that your arm gets overstretched. In this context, questions arise in terms of physics and mechanics to help understand how to confer a maximum of kinetic energy to launch an object.
If our daily experience suggests the use of an instrument (club, racket, chistera, ...) to throw light objects, we will explore here other solutions inspired by our knowledge of soft materials and the concept of superpropulsion. The idea is to use deformable projectiles that can be designed and tuned to extract the maximum available energy from a thrower, a mechanical actuator or any kind of launcher. Various strategies based on soft elastic objects, composite materials, capillary effects and mechanical instabilities can be developed to optimize energy transfer. We will present experimental and numerical approaches that show that the kinetic energy of a soft object can be multiplied by four compared to that of rigid objects launched under the same conditions. Applications in the fields of sports and biology will be presented.
Orateur: Prof. Christophe Raufaste (Université Côte d'Azur, CNRS, Institut de Physique de Nice, France) -
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Perles liquides dans une matrice solide : rhéologie des émulsions solides
La réponse visqueuse et la réponse élastique des matériaux viscoélastiques (caractérisées respectivement par les modules de stockage et de perte en rhéologie oscillatoire) ont généralement une évolution similaire lorsque l'on modifie un des paramètre physico-chimique du matériau. Afin de découpler ces réponses relativement à la structure des matériaux, on se propose d'étudier des "émulsions solides", qui ont une phase continue réticulée.
Les propriétés rhéologiques des émulsions dépendent à la fois de leur phase continue et de leur phase dispersée, ainsi que de l'interface entre les deux. En encapsulant la phase dispersée liquide dans une matrice solide élastique, on obtient un matériau composite avec une réponse rhéologique contrôlée [1].La phase dispersée choisie pour notre émulsion solide peut solidifier à température ambiante. Cette transition de phase permet de varier les modules de la phase dispersée. La littérature prévoit que dans le cas des inclusions liquides, on puisse observer différentes réponses en rhéologie selon les modules des deux phases, la taille des gouttelettes, et la fraction volumique de phase dispersée [2, 3]. En revanche, lorsque les inclusions sont solides, le module du composite devrait uniquement dépendre de la phase continue et de la fraction volumique [4].
On démontre premièrement la possibilité de créer un matériau composite dont les modules de stockage et de perte peuvent être contrôlés indépendamment par les paramètres physico-chimiques, et on étudie les mécanismes de cette décorrélation. Pour le système étudié, on a ainsi pu observer une variation indépendante des modules en variant la fraction volumique de gouttelettes liquides dans les massifs. Lorsque les gouttelettes se solidifient, on observe une déviation à la théorie selon laquelle le système devrait être contrôlé uniquement par la phase continue et la fraction volumique des inclusions.
Références :
- [1] R. W. Style, R. Tutika, J. Y. Kim, M. D. Bartlett, Advanced Functional Materials, 2020, 31
- [2] J. F. Palierne, Rheologica Acta, vol. 29, no 3, p. 204-214, 1990
- [3] R. Pal, Current Opinion in Colloid & Interface Science, vol. 16, no 1, p. 41-60, 2011
- [4] M. Krieger et T. J. Dougherty, Transactions of the Society of Rheology, vol. 3, no 1, p. 137-152, 1959
Orateur: Elina Gilbert (LPS, Université Paris-Saclay) -
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Caractérisation multi-échelle d'hydrogels d'intérêt biologique
Les hydrogels sont des matériaux élastiques tridimensionnels constitués d'une matrice poreuse gonflée d'une grande quantité d'eau. Ils se caractérisent par une forte porosité et constituent ainsi des réservoirs de solvants qui peuvent absorber ou libérer des solvants lorsqu'ils sont soumis à des stimuli externes. Ils doivent pouvoir résister aux contraintes dues au séchage et au gonflement. Pour ces raisons, ils sont utilisés dans de nombreuses applications biomédicales (systèmes de libération contrôlée de médicaments).
Nous étudions ici la dynamique de formation d'une goutte de gel colloïdal par l'ajout d'espèces ioniques (NaCl) à une suspension de nanoparticules (LUDOX TM50).
Un diagramme de phase met en évidence deux régions dans le plan des paramètres, la force ionique en fonction du taux d'évaporation : une région où la goutte subit un retrait isotrope et forme un gel homogène et une région où des instabilités mécaniques (fissure, flambage) apparaissent en raison de la formation d'une peau solide à la surface de la particule.
De plus, nous étudions la relation entre la modification de la structure du gel de silice à l'échelle microscopique (interactions entre particules, tailles des agrégats par SAXS) et ses propriétés mécaniques (viscoélasticité du gel).Enfin, une étude portant sur la comparaison microscopique entre un hydrogel et un biohydrogel comprenant des protéines (BSA) a été réalisée et des mesures rhéologiques ont permis de mettre en évidence le renforcement de la structure du gel par l'ajout de protéines.
Orateur: souhaila N'MAR (Université Paris-Saclay - Laboratoire FAST) -
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Etude thermodynamique et rhéologique pour la conception rationnelle des hydrogels d'ADN
Les matériaux mous tels que les gels, les émulsions, les mousses ou les pâtes présentent des propriétés intermédiaires entre solide et liquide, qui s’avèrent très intéressantes pour de nombreuses applications dans différents domaines (agroalimentaire, cosmétique, bâtiment…). Ces matériaux ont de ce fait suscité un intérêt considérable et de nombreuses recherches visant à décrire ou à améliorer ces propriétés. Parmi eux, les biopolymères ont attiré l'attention en raison de leur biocompatibilité unique et de leurs applications potentielles dans le domaine médical [1]. Plus précisément, l'ADN est un biopolymère qui peut s'auto-assembler en diverses structures, de la simple structure en double hélice aux hydrogels d'ADN plus complexes. Ces hydrogels présentent des propriétés qui dépendent de la température [2] en raison des propriétés thermodynamiques des séquences gélifiantes, et de la géométrie à l'échelle nanométrique.
Dans cette présentation, nous étudions la relation entre les séquences de l’ADN à l’échelle du nanomètre et les propriétés thermodynamiques et rhéologiques des gels formés aux échelles micro- et macroscopiques.
Pour ce faire, nous utilisons diverses techniques, notamment la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et la calorimétrie par titrage isotherme qui donnent accès à la capacité thermique excédentaire associée aux processus d’auto-assemblage ; et la diffusion dynamique de la lumière (DLS), le suivi par microscopie de la séparation de phase, et l'aspiration par micropipette qui donnent accès aux temps de relaxation et de formation. Nous pouvons ainsi caractériser des gels formés de motifs en étoile à 3 ou 4 bras reliés ensemble par des ‘sticky ends’ palindromiques [3], et étudier les différences qui résultent de bras ou de sticky ends plus ou moins longs, et de sticky ends symétriques ou asymétriques.Nos expériences de DSC montrent qu'il existe un excès de capacité thermique associé à la gélification des brins d'ADN, ce qui suggère un lien clair entre la conception de séquences et le processus de gélification. D'autre part, les expériences de DLS et de microscopie montrent que la longueur des sticky ends dans la séquence d'ADN affecte la cinétique de prise du gel et la mécanique du gel obtenu, les sticky ends plus longs conduisant à des gels plus stables à des températures plus basses. En outre, nous observons que des sticky ends asymétriques entraînent des temps de formation de gel plus longs. Les résultats rhéologiques indiquent également que la mécanique de l'hydrogel change avec la température, puisqu'il change d'état: liquide, droplets, gel. Les diagrammes de phase décrivant ce comportement sont ainsi établis.
Ces résultats seront confirmés par des mesures directes des propriétés mécaniques des différents hydrogels à l’échelle macroscopique (rhéomètre) et microscopique (DDM).[1] Li F, et al. (2019) Progress in Polymer Science.
[2] Biffi S, et al. (2015) Soft Matter.
[3] Sato Y, et al. (2020) Science Advances.Orateur: Hajar AJIYEL (Institut Néel - CNRS) -
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Entraînement retardé d'un film de liquide sur un élastomère mou, en condition de mouillage partiel
La technique du dip-coating est un dispositif consistant à enduire un solide en l'extrayant d'un bain de liquide à vitesse constante, le solide tirant alors une couche de liquide calibrée par la vitesse de tirage du solide et des conditions de mouillage. Pour l'étude de problématique dynamique de mouillage, ce dispositif permet d’obtenir une ligne de contact rectiligne et de faire de la vitesse d'avancée et de reculée du système un paramètre contrôlable. Nous étudions ici l'étalement forcé de liquide sur des substrats déformables, en conditions de mouillages partiels, et utilisons du PDMS de module d’Young Y de 25 à 250 kPa environ.
Les observations avec un solide indéformable sont assez bien connues et comprises. En mouillage total, le liquide enduit systématiquement le substrat sous forme de film fin de liquide, d’épaisseur uniforme variant avec le nombre capillaire Ca (vitesse adimensionnée du système définie avec la vitesse de l’extraction (m/s), la tension de surface liquide-gaz $\gamma$ (~64 $10^{-3}$J/m²) et la viscosité du liquide $\eta$ (Pa.s)) en puissance 2/3. En mouillage partiel, l’enduisage se produit à partir d’un Ca seuil, et on observe un film de liquide de forme trapézoïdale, due à la ligne triple sur les côtés recédant vers le centre durant l'extraction, jusqu'à finir en forme de triangle. On observe d'ailleurs un bombement à la ligne triple, séparant cette dernière du reste du film d'épaisseur uniforme.
Avec un solide déformable, nous observons des comportements originaux dont l'origine reste à comprendre en détails.
Nous présentons ici un résultat différent du cas rigide dans le sens où l’enduisage de la surface du substrat mou par le liquide ne se fait pas dès l’extraction de la plaque, mais s'effectue après un temps de retard. Ce temps de retard (allant de la seconde à plusieurs dizaines de secondes) semble dépendre du Ca : il diverge à bas Ca et tend à s’annuler au delà d'un Ca critique.L’origine de ce retard à l'entraînement reste encore à déterminer. Néanmoins, nous savons que les échantillons que nous utilisons possèdent des chaînes libres, et une fois extraites, nous n’observons plus ce retard. La présence de ces chaînes libres semble être une cause à ce retard, mais ces effets restent encore clairement à définir.
Une autre piste viendrait de l'élasticité du substrat, qui modifierait la condition d'enduisage du liquide. Une compétition entre cette dernière et les forces capillaires se manifeste sous forme de crête, de taille définie par la longueur élastocapillaire $l_s = \frac{\gamma}{Y}$, de l'ordre du micromètre. Cette taille, suffisamment conséquente, peut intervenir sur l'écoulement, de sorte à induire une dissipation viscoplastique dans le solide.
Enfin, il est possible que ce retard soit due à une combinaison des deux mécanismes : une migration des chaînes libres au cours du temps à la ligne triple modifierait la rhéologie locale.Orateur: Anthony Varlet (Laboratoire Matière et Systèmes Complexes, Université Paris Cité, CNRS) -
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La température de films de savon
La stabilité des bulles et des films de savon a des implications dans de nombreux domaines insoupçonnés. Les aérosols créés lors de l'éclatement des bulles sont impliqués dans l'échange de liquide entre l'océan et l'atmosphère, mais aussi dans la pollution de l'air, par exemple au-dessus des piscines, dans l'aérosolisation des toxines ainsi que dans l'expulsion d'arômes sur les boissons gazeuses. L'aérosolisation est également importante dans l'industrie du verre, où elle est à l'origine de défauts majeurs, ou dans la physique géologique, comme l'exsolution des gaz dans les chambres magmatiques.
La durée de vie des bulles et des films, stabilisés par des molécules actives en surface, est essentiellement déterminée par le taux d'amincissement. Cette vitesse d'amincissement est fixée à la fois par l'écoulement du liquide dans le film, ce que l'on appelle le drainage capillaire ou par gravité, et par l'évaporation. Si le drainage du film de savon a été largement étudié, ce n'est que très récemment que des progrès ont été réalisés sur l'influence de l'évaporation sur l'amincissement.
Il est évident que le taux d'évaporation contribue directement à l'amincissement du film, mais il a également un impact sur la durée de vie du film de savon par le biais de divers mécanismes, dont l'importance relative n'est pas encore entièrement quantifiée. À notre connaissance, l'existence d'un refroidissement global dû à l'évaporation des films de mousse a été négligée.
Dans cette présentation, je montrerai l'importance du refroidissement induit par l'évaporation. Pour ce faire, nous avons mesuré et modélisé la variation de température d'un film de savon en évaporation pour différentes valeurs d'humidité ambiante et concentrations de glycérol.
Expérimentalement, nous avons observé que la température diminue d'abord, puis augmente jusqu'à ce que la température ambiante soit à nouveau atteinte [1]. Nous rapportons que l'ampleur de l'effet de refroidissement dépend à la fois de l'humidité relative et de la concentration initiale de glycérol, la diminution des valeurs de ces deux paramètres conduisant à des effets plus importants. Cet effet de refroidissement s'explique par l'évaporation du film de savon par la chaleur latente de vaporisation. Nous avons modélisé de manière satisfaisante l'effet de refroidissement maximal en considérant un bilan thermique constitué de la chaleur latente de vaporisation, de la conductivité thermique de l'atmosphère environnante vers le film, et du flux radiatif. Le refroidissement peut atteindre -8°C dans nos conditions.
Nous pensons que l'effet de refroidissement peut être significatif, en particulier en ce qui concerne les questions soulevées par la communauté sur la cristallisation de l'agent de surface, le drainage du film, la régénération marginale et la durée de vie du film.
[1] Boulogne et al, Physical Review Letters, 2022
Orateur: François BOULOGNE (Laboratoire de Physique des Solides, CNRS, Université Paris-Saclay) -
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Capteur Interférométrique de Contraintes de Surface
Les parois déformables jouent un rôle important dans de nombreux systèmes d'intérêt et abondent dans les systèmes d'importance biologique. Pour comprendre les propriétés de surface des gels (le mouillage ou l'adhérence), il faut tenir compte des déformations à longue portée. Les articulations synoviales présentent des propriétés de lubrification remarquables ; cependant, les mécanismes de fonctionnement responsables de cette performance, reliant les macromolécules chargées et les parois souples, ne sont pas encore bien compris. En ce sens, de nouveaux outils d'exploration sont nécessaires pour l'exploration précise de la réponse des parois déformables aux perturbations externes.
L'objectif principal du projet est de développer un capteur de contrainte de surface (SMS) basé sur la détermination précise de la déformation d'une membrane déformable exposée à un environnement changeant, en utilisant l'interférométrie à faisceaux multiples. Nous visons également à construire les outils théoriques/numériques nécessaires pour rationaliser les nouvelles informations recueillies. Grâce à ce nouvel outil, une approche combinée théorique-expérimentale sera mise en œuvre pour étudier deux sujets importants dans le domaine de la matière molle.
Tout d'abord, nous explorerons la double couche électrique à l'interface métal-solution aqueuse et son comportement lorsqu'elle est poussée hors d'équilibre, en mesurant la déformation de la membrane afin de déterminer le champ de pression à l'interface. Ensuite, nous étudierons le couplage élastohydrodynamique EHD qui apparaît lorsqu'un objet solide se déplace près d'une membrane élastique. Nous prévoyons d'étudier plus en profondeur ce problème important pour les nanosciences et la biologie, car le couplage EHD sera grandement amplifié par le système membrane-sphère étudié dans ce projet.
Orateur: Ilyes Jalisse (CNRS)
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Mini-colloques: MC20 Physique mésoscopique: 1 Salle Henriette Faraggi
Salle Henriette Faraggi
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Singular orbital magnetism in Graphene with a moiré potential
A singular Landau orbital magnetism of graphene, with a sharp narrow diamagnetic peak at the Dirac point was already predicted in 1956 by McClure. It is now understood as a fundamental signature of the characteristic Berry phase of graphene’s electronic wave functions.
Using a highly sensitive giant magnetoresistance (GMR) sensor, we have measured the gate
voltage–dependent magnetization of a single graphene layer. The signal exhibits a sharp diamagnetic peak at the Dirac point whose magnetic field and temperature dependences agree with long-standing theoretical predictions. These measurements enables the investigation of orbital currents in 2D materials that cannot be detected in usual transport measurements. Among the predictions an intriguing orbital paramagnetism at saddle points of 2D materials is also expected.In order to reveal this unusual orbital paramagnetism, we investigated graphene layers aligned with the hexagonal lattice of a boron nitride substrat, e giving rise to a large period moiré potential acting on graphene charge carriers. Beside the sharp diamagnetic peak at the Dirac point, followed by de Haas-van Alphen oscillations at larger doping, we detect extra diamagnetic peaks at the satellite Dirac peaks of the moiré lattice. We also find paramagnetic peaks surrounding these satellite diamagnetic peaks related to van-Hove singularities in the density of states. These findings confirm the existence of paramagnetic orbital loops in 2D systems when the Fermi energy is tuned in the vicinity of saddle points.
J. Vallejo-Bustamante et al. Science 2021 and arXiv:2303.17500
Orateur: Helene Bouchiat (LPS Orsay) -
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From topological to chaotic quantum dynamics
Topological adiabatic dynamics is at the origin of the transport properties of topological insulators, topological pumps, or the recently proposed frequency converters.
In this talk I will discuss the fate of such topological properties beyond the adiabatic regime. I will consider a simple setup of two quantum harmonic oscillators strongly coupled to a qubit. On short timescales, this simplified model displays a topological dynamics which transfers energy at a quantized rate from one oscillator to the other.
On larger timescales, a chaotic dynamics takes place, reminiscent of the topological coupling between the oscillators and the qubit. This dynamical behavior reflects itself on the eigenstates of the system, which belong to two distinct families. One family is chaotic, with a characteristic level repulsion, while the other one is not.Orateur: David Carpentier (CNRS - ENS de Lyon) -
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Revealing topological hinge states in the second order topological insulator Bi4Br4
Topological Insulators (TIs) hold great promise for making novel electronic devices, thanks to the existence at their boundaries of topologically protected conduction channels. Unfortunately, the expected protection has turned out to be less robust than anticipated, notably due to inelastic processes involving bulk excitations. This complicates the fundamental study of the edge states, and motivates the search for different TIs with a reduced contribution of the non-topological bulk states. Among newly discovered TIs, Bi4Br4 appears to be a very promising material, with a large bulk gap (~ 230 meV), and experimental indications of a Second Order Topological Insulator (SOTI) character. SOTIs are topological insulators with (d-2)-dimensional topological states, d being the dimension of the bulk. Indeed, 1D states were evidenced by ARPES and visualized by STM at the hinges of a Bi4Br4 crystal, persisting up to 300K.
Our work has been focused on evidencing these hinge states in low-temperature transport experiments by investigating the modulation of quantum interferences with magnetic field and gate voltage. We have found signatures of phase coherence in µm-sized samples with surprisingly large characteristic fields, and a strongly anisotropic behavior. These results suggest that transport in the Bi4Br4 flakes is mediated by 1D ballistic channels, which scatter only in the region under the metallic electrodes. Furthermore, the differential conductance exhibits an anomaly at zero bias, characteristic of Luttinger liquids, providing further evidence of the 1D nature of the transport channels. Our results thus support the SOTI nature of Bi4Br4 and present a method for identifying topologically protected channels in transport experiments.
Orateur: Jules Lefeuvre (Laboratoire de Physique des Solides) -
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Imaging tunable quantum Hall broken-symmetry orders in graphene
When electrons populate a flat band their kinetic energy becomes negligible, forcing them to organize in exotic many-body states to minimize their Coulomb energy. The zeroth Landau level of graphene under magnetic field is a particularly interesting strongly interacting flat band because inter-electron interactions are predicted to induce a rich variety of broken-symmetry states with distinct topological and lattice-scale orders. Evidence for these stems mostly from indirect transport experiments that suggest that broken-symmetry states are tunable by boosting the Zeeman energy or by dielectric screening of the Coulomb interaction. However, confirming the existence of these ground states requires a direct visualization of their lattice-scale orders. Here, we image three distinct broken-symmetry phases in graphene using scanning tunneling spectroscopy. We explore the phase diagram by tuning the screening of the Coulomb interaction by a low or high dielectric constant environment, and with a magnetic field. In the unscreened case, we unveil a Kekule bond order, consistent with observations of an insulating state undergoing a magnetic-field driven Kosterlitz-Thouless transition. Under dielectric screening, a sublattice-unpolarized ground state emerges at low magnetic fields, and transits to a charge-density-wave order with partial sublattice polarization at higher magnetic fields. The Kekule and charge-density-wave orders furthermore coexist with additional, secondary lattice-scale orders that enrich the phase diagram beyond current theory predictions. This screening-induced tunability of broken-symmetry orders may prove valuable to uncover correlated phases of matter in other quantum materials.
Orateur: Cecile REPELLIN -
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Tomography of a polariton topological insulator
In the field of topological photonics, exciton-polariton cavities have emerged as a promising platform, thanks to the complementary nature of their matter and light components. Indeed, the excitonic part provides large non-linearities and susceptibility to magnetic fields, allowing time-reversal symmetry breaking, whereas the photonic part allows the engineering of gain, losses or the equivalent of spin-orbit coupling for photons. Thanks to all of this, exciton-polariton systems allow the study of a wide variety of phenomena, such as Chern insulators, quantum spin Hall effect, non-Hermitian skin effect, topological lasing or topological gap solitons. Moreover, the open nature of exciton-polariton cavities makes them ideally suited to the measurement of geometrical and topological properties underlying these phenomena.
Here, we report the experimental signature of the opening of a topological gap in a specially designed polariton honeycomb lattice, showing large TE-TM and Zeeman splitting. We follow the transition from a trivial phase to a Chern number C = ±2 topological phase through the polarization and sub-lattice localization properties of the eigenmodes of the system. Furthermore, our measurement gives us access to the Berry curvature and quantum metric of the system.
Orateur: Martin GUILLOT (C2N) -
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Mesoscopic Klein-Schwinger effect in graphene
Vacuum breakdown by particle-antiparticle pair creation under intense electric field, introduced by Sauter and Schwinger, is a basic non-perturbative prediction of quantum electrodynamics. Its high-energy physics experimental demonstration remains elusive as the threshold electric fields are extremely strong and beyond current reach, even for the light electron-positron pairs.
Here we put forward a mesoscopic variant of the Schwinger effect in graphene, which hosts Dirac fermions with an approximate electron-hole symmetry. Using DC transport and radiofrequency noise measurements, we report on universal one-dimensional Schwinger conductance at the pinchoff of ballistic graphene transistors. Strong pinchoff electric fields are concentrated within approximately 1µm of the transistor’s drain; they generate a giant Klein collimation that acts as a seed for 1D Schwinger electron-hole pair creation at saturation. The theoretical prediction for 1D Schwinger effect is quantitatively verified in its full non-perturbative development. These observations give clues to current saturation limits in ballistic graphene, and pave the way for further quantum electrodynamics experiments in the laboratory.Orateur: Aurélien SCHMITT (LPENS-CNRS)
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REDP3 Enseigner la physique à l'école primaire et en secondaire: 1 Salle Yvette Cauchois
Salle Yvette Cauchois
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La démarche scientifique au cycle 3 : enjeux des nouveaux programmes de physique 2023
Le Conseil Supérieur des Programmes vient de publier un nouveau programme de sciences pour le cycle 3 (CM1, CM2, 6ème). A la différence des précédents programmes, ce dernier propose dans le préambule plusieurs éléments de scientificité explicites (primauté de l'expérience, test de la reproductibilité et de la robustesse d'une expérience, navigation entre le général et le particulier et entre le monde physique et ses représentations) à transmettre aux élèves et insiste sur la modélisation. Nous montrerons comment ces éléments de scientificité peuvent être implémenter concrètement dans les classes en faisant le lien avec les contenus scientifiques promus.
Orateur: Estelle Blanquet (Université de Bordeaux) -
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Village des sciences IUT Lyon 1 : impliquer les étudiants dans la vulgarisation des savoirs
L’IUT Lyon 1 organise depuis plus de 10 ans la fête de la science dans ses locaux. Ce village des sciences est né des interventions d’étudiants dans les écoles primaires, jusqu'à évoluer vers l'accueil direct des écoles sur site. Ainsi, en 2022, nous avons coordonné 30 ateliers pour recevoir plus de 600 élèves (principalement des écoles primaires) les jeudi et vendredi et ~350 personnes du grand public le samedi.
Le succès de cet événement est basé sur l'implication de plus de 250 étudiants qui gèrent 50% des ateliers, animent les pauses, soutiennent des ateliers d'intervenants extérieurs, guident les groupes d'enfants... Leurs participations est inclus dans leur programme pédagogique (diplôme de BUT), ils sont chaque année au rendez-vous avec une grande motivation.
Durant cette présentation, après une brève présentation de nos interventions dans les écoles (sous forme de projet tutoré), le village des sciences sera décrit de façon générale. Par la suite, le rôle des étudiants sera explicité (voir image ci-dessous). Pour finir, l'intérêt de leurs implications pour l’événement et les apprentissages liés seront présentés.
https://ibb.co/MBThRzCOrateur: Alban Gassenq (Institut Lumière Matière) -
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Utilisation pédagogique d’une application pour étudier la cinématique du collège au lycée
L’étude du mouvement s’inscrit pleinement dans les objectifs de formation des programmes de l’éducation nationale en physique. Toutefois, l’enseignement des notions qui y sont associées rencontre des obstacles, en particulier logistiques et techniques, avec l’utilisation de logiciels gratuits vieillissants ainsi que d’éventuelles difficultés à trouver des vidéos de qualité, exploitables en classe et qui correspondent à la problématique que l’enseignant veut traiter.
Dans cette optique, nous présentons un outil numérique qui offre un potentiel considérable pour améliorer l'enseignement des sciences et particulièrement de la physique. Nous nous concentrerons sur l'étude cinématique, de la caractérisation d’un mouvement à la notion d’énergie, des concepts importants pour la compréhension de la physique, du collège au lycée. La solution présentée est l’application FizziQ, qui est développée par la start-up Trapeze.digital en partenariat avec la fondation La main à la pâte et disponible sur smartphones et tablettes (Android et iOS). L’application est gratuite et sans partage de données personnelles.
A travers des exemples concrets de séquences en classe, issus de notre expérience avec des élèves de collège et de lycée, nous soulignerons tout d’abord la pertinence de cette application vis-à-vis des objectifs pédagogiques issus des programmes. L’application permet d’analyser directement des chronophotographies et des vidéos, grâce à un pointage, et de caractériser le mouvement d’un objet (trajectoire, vitesse, accélération). Des analyses complémentaires peuvent également être menées avec des logiciels dédiés (Excel , Regressi, etc.), grâce à un export des données issues du pointage, sous format CSV.
Nous aborderons un des atouts de ce type d’outils qui est de permettre aux élèves de réaliser leurs propres vidéos de mouvement qui sera étudiée directement avec l’application. Non seulement cela constitue une situation motivante pour les élèves, grâce au challenge qui peut se créer naturellement au sein des groupes, mais la réalisation de la vidéo favorise aussi la compréhension des notions adjacentes (notion d’échelle et de perspective). La progression pédagogique, allant de la réalisation à l’analyse, encourage l’émergence de questionnements au-delà du sujet étudié et pousse les élèves à avoir un regard critique sur leurs résultats et la précision des mesures.
Enfin, nous examinerons les avantages à exploiter cet outil et cette méthode d'enseignement innovante, en regard avec les inconvénients de méthodes plus classiques, en particulier la rapidité avec laquelle les élèves se saisissent de l’outil de façon intuitive, mais aussi le peu de contraintes pour mettre en place ces activités dans les classes, sans besoin nécessairement d’équipement spécifique, et enfin l’investissement accru des élèves lors de séances en classe qui ancrent les notions étudiées dans leur quotidien.Orateur: M. Christophe Chazot (FizziQ) -
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CultureSciences Physique - un outil pour se former et enseigner
Le site CultureSciences-Physique, partenariat ENS de Lyon/DGESCO, est une publication en ligne à caractère scientifique pour le partage du savoir et pour la formation en physique. Il a une mission d'interface entre les universitaires et chercheurs du monde de la physique et les enseignants des collèges et des lycées. Les enseignants y trouveront matière à : actualiser leurs connaissances, approfondir leurs compétences en physique et s'initier à des sujets nouveaux.
Cet ensemble de ressources scientifiques est construit autour des programmes de l'enseignement. Les ressources sont sous la forme de conférences, d'articles, de courtes vidéos, de quizz, d'expériences, de simulations... portant sur tous les domaines de la physique. Toutes les ressources proposées sont accessibles librement et mises à disposition des utilisateurs. Ces données scientifiques validées ne constituent ni un cours, ni une activité pédagogique en elles- mêmes, elles sont proposées à l'enseignant qui a toute liberté pour en faire l'usage qu'il souhaite.
Nous proposerons ici quelques pistes d’utilisation de ces ressources pour le collège, le lycée, jusqu’aux classes préparatoires.Orateur: Delphine Chareyron (ENS de Lyon) -
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Accompagner les professeurs à la mise en œuvre de nouveaux programmes : l’exemple de la modélisation
Notre proposition s’inscrit dans la perspective d’améliorer l’apprentissage de la physique-chimie dans le secondaire en contribuant à la formation des enseignants via des ressources de plusieurs types.
En 2019, les programmes de physique-chimie des filières générale et technologique ont été largement renouvelés. Fondés sur les deux piliers associés au fonctionnement des sciences que sont la pratique expérimentale et la modélisation, ils fournissent également quelques préconisations pédagogiques qui s’inscrivent dans le courant du socioconstructivisme.
Ces programmes sont ambitieux dans la mesure où ils demandent un renouvellement de la pratique enseignante pour expliciter le fonctionnement des sciences sans bouleverser le corpus de savoirs habituellement enseignés dans le secondaire.
Or comme le montrent des travaux de recherche en didactique des sciences (en particulier ceux associés aux nouveaux standards aux USA (NGSS) le renouvellement proposé doit être associé à un accompagnement ambitieux des enseignants en activité et des formateurs. En d’autres termes le changement de programme doit être accompagné d’explicitations des préconisations relatives aux fondements épistémologiques, didactiques et pédagogiques articulées à des ressources pour enseigner et pour se former.
Ces ressources constitueraient des aides pour étayer les choix de chaque enseignant et sa propre pratique. En effet, actuellement les enseignants font face à de nombreuses ressources d’enseignement destinées aux élèves, mais plus rarement à des ressources pour aider à enseigner. Plusieurs recherches montrent à la fois que les ressources peuvent contribuer à faire évoluer les pratiques mais aussi que l’utilisation de mêmes ressources peut conduire à des pratiques de classe très différentes.
Nous proposons de présenter le processus et le résultat d’un travail de co-construction de ressources d’enseignement et de formation entre enseignants et chercheurs (http://pegase.ens-lyon.fr/) qui visent à aider à l’explicitation et la mise en œuvre de la modélisation dans l’enseignement de la physique au lycée.
A partir de principes issus d’analyses épistémologiques et d’hypothèses d’apprentissage, trois types de ressources complémentaires sont proposées, visant à
1.analyser et donner du sens à la modélisation
2.articuler les réflexions sur la modélisation à des contenus
d’enseignement et leur apprentissage et donc liées à une partie spécifique des programmes3.aider à la mise en œuvre en classe.
Ce type de conception de ressources n’est évidemment pas unique et reste à critiquer. Néanmoins il illustre que, pour produire de tels outils, l’Institution doit y mettre des moyens aussi bien pour la production que pour la mise en œuvre. Cela suppose qu’en amont des collectifs de professeurs, chercheurs, personnels de l’éducation nationale travaillent ensemble, en s’inspirant par exemple des actuels LéA de l’IFé. Pour ceci il faut aussi le vivier nécessaire de chercheurs.
Orateurs: Jacques Vince, Andrée Tiberghien (CNRS (UMR ICAR)), M. Laure Lucas-Fradin (Rectorat de Lyon) -
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Activité expérimentale en classe de terminale et approche intégrée conceptuelle bilingue français-anglais pour modéliser le principe de mesure par occultation stellaire (étude de l’atmosphère).
Ce travail mené en didactique de la physique vise à évaluer l'appropriation de savoirs disciplinaires par trente-cinq élèves de terminale scientifique qui exploitent des supports en anglais par des techniques de repérage de termes spécifiques, de reformulation en langues et de production d’écrit : les concepts de rayonnement et d’interaction avec la matière, de spectre, de mesure de grandeurs physiques sont mis en jeu. L’objectif consiste aussi à analyser la capacité des élèves à expliquer le principe de mesure par occultation stellaire, utilisé par des scientifiques dans le domaine de la télédétection pour sonder l’atmosphère terrestre, en s’appuyant sur un raisonnement par analogie avec le protocole de mesure d’absorbance d’une espèce colorée en solution réalisé en classe. L’enseignant complice de cette recherche-action mène cette première séance d'activité expérimentale de deux heures en français, auprès de deux groupes en demi-classe.
L’élaboration de l'énoncé d'activité expérimentale repose sur l’approche intégrée conceptuelle bilingue, définie dans le cadre de la Théorie anthropologique du didactique, à travers un modèle épistémologique de référence et les concepts didactiques de dialectique média-milieu et de praxéologie intégrée disciplinaire de référence. La sélection des médias en anglais est effectuée par une analyse des contenus de physique et des spécificités de l’anglais pour les exprimer. Elle se justifie selon le but de l’activité expérimentale : répondre à la question investigatrice sur l’utilisation de capteurs optiques depuis l’espace pour sonder l’atmosphère en rédigeant un texte explicatif en français (énoncé-cible). Les élèves réalisent un travail préliminaire (hors classe) sur une fiche préparatoire avec repérage de la terminologie spécifique de chaque média et reformulation des idées principales.
L’approche intégrée conceptuelle bilingue est ensuite convoquée pour analyser ce travail préparatoire et la production d’énoncé-cible. L’analyse des dix-sept fiches relevées met en évidence que les élèves parviennent à appréhender le rôle joué par la télédétection pour étudier l’atmosphère en repérant la terminologie scientifique non spécialisée. Les reformulations de l’anglais au français des élèves révèlent que les grandeurs physiques (intensité de rayonnement, longueur d’onde…) et les phénomènes mis en jeu (absorption, transmission de rayonnement…) sont peu identifiés ; elles traitent de la notion de mesure de manière générale, sans préciser de quelles grandeurs il s'agit ou avec confusions. Le texte explicatif des élèves est comparé à un énoncé de référence découpé en unités sémantiques selon les concepts visés. Les douze énoncé-cibles analysés ne s’appuient pas sur les techniques de repérage et de reformulation issus de la fiche préparatoire : l’explication fournie montre que la conceptualisation de la physique du rayonnement et de la démarche expérimentale dans ce contexte bilingue est difficile.Orateur: Noëmie Tran Tat
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10:30
Pause - Café Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Table ronde 2: Les grandes questions ouvertes et enjeux fondamentaux de la physique Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Président de session: David LOUAPRE (Ubisoft, chaîne Youtube Science Étonnante)- 173
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Quelques enjeux en physique quantiqueOrateur: M. Serge Haroche (Collège de France)
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Physique subatomique et cosmologieOrateur: Mme Fabiola Gianotti (CERN)
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Table ronde
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Discussion
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12:30
Déjeuner Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Mini-colloques: MC01 Dernières avancées dans la détection et la modélisation de la fission nucléaire: 1 Salle Henriette Faraggi
Salle Henriette Faraggi
Présidents de session: Diego GRUYER (LPC Caen), Eric BONNET (Subatech - In2p3)-
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Mesurer la fission : défis et résultats récents
La fission nucléaire est un processus où un noyau lourd se scinde en deux fragments. Lors de la fission, le noyaux s une déformation progressive jusqu'à une déformation extrême menant à la scission. La fission peut être spontanée ou induite par des excitations ou réactions nucléaires. La fission est l'objet de nombreuses études depuis sa découverte dans les années 30 qui ont mis en évidence la complexité de ce processus où les propriétés macroscopiques de déformation et microscopiques sont à l’œuvre.
La description de la fission représente encore aujourd’hui un défi pour les théories les plus avancées. La compréhension de ce mécanisme est essentielle pour la physique fondamentale, en astrophysique, ainsi que dans le cadre de nombreuses applications sociétales comme la production d’énergie et la médecine.Les progrès expérimentaux des dernières décennies ont permis de mesurer de nouvelles observables expérimentales qui ouvrent de nouvelles perspectives sur la compréhension de ce processus. Il est notamment désormais possible d'accéder à la mesure des contenus isotopiques des fragments de fission ou encore d'étudier l'influence de l'énergie d'excitation du système qui fissionne. Ces avancées, permettent de faire avancer notre compréhension de la fission à travers les contenus en protons et neutrons et leur énergie d'excitation, degrés de liberté pertinents pour les systèmes nucléaires quantiques qui fissionnent.
Dans cette présentation, les défis inhérents à la mesure des observables de fission seront présentés suivi d'un état des lieux des résultats expérimentaux récents obtenus auprès des installations comme le GANIL, GSI ou ALTO. Les défis et les perspectives expérimentales du domaine seront ensuite discutés.
Orateur: Antoine LEMASSON (GANIL / CNRS UPR3266) -
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Theory of nuclear fission: a guided tour through 80 years of research
Atomic nuclei are quantum many-body systems of protons and neutrons held together by strong nuclear forces. Under the proper conditions, nuclei can break into two (sometimes three) fragments which will subsequently decay by emitting particles. This phenomenon is called nuclear fission. Since different fission events may produce different fragmentations, the end-products of all fissions that occurred in a small chemical sample of matter comprise hundreds of different isotopes, including α particles, together with a large number of emitted neutrons, photons, electrons and antineutrinos. The extraordinary complexity of this process, which happens at length scales of the order of a femtometer, mostly takes less than a femtosecond but is not entirely over until all the lingering β decays have completed – which can take years – is a fascinating window into the physics of atomic nuclei. While fission may be more naturally known in the context of its technological applications, it also plays a crucial role in the synthesis of heavy elements in astrophysical environments. In both cases, simulations are needed for the many systems or energies inaccessible to experiments in the laboratory. In this context, the level of accuracy and precision required poses formidable challenges to nuclear theory.
The goal of this presentation is to give a taste of the state-of-the-art theoretical methods employed in the description of nuclear fission.
Orateur: David Regnier (CEA, DAM, DIF) -
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Les sections efficaces de fission
Les sections efficaces sont des données nucléaires qui permettent de rendre compte de la probabilité d'une réaction nucléaire. Ces données font l'objet d'un effort de mesure important depuis des décennies, afin de reproduire par calcul ou simulation les processus étudiés. De nombreuses données expérimentales sur une section efficace sont ainsi compilées, et combinées avec un ou des modèles théoriques pour en faire une évaluations, qui sera alors la meilleure estimation de la grandeur étudiée.
Nous retracerons l'ensemble du processus, depuis les principes physiques jusqu'à l'utilisation des évaluations, en passant par les mesures avec leurs méthodes, leurs performances et leurs limites.Orateur: Dr Ludovic MATHIEU (CNRS LP2i) -
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Les fragments de fission : une observable clé pour la compréhension de la fission nucléaire
La fission nucléaire est l'un des phénomènes les plus complexes et violents que le noyaux atomique peut connaître. Au cours de ce processus, le noyau fissionnant subit des déformations extrêmes entraînant un réarrangement complet des nucléons. Il se sépare essentiellement en deux fragments et libère en même temps une quantité importante d'énergie. Ce phénomène résulte à la fois de l'évolution dynamique et des effets de structures microscopiques du système, comme les effets de couches ou les corrélations d'appariement. Malgré la découverte de la fission il y a plus de 80 ans, sa description reste un défi d'un point de vue théorique. Expérimentalement, différentes observables sont mesurées comme les sections efficaces de fissions, les spectres et multiplicités de neutrons, les rapports isomériques ou encore les rendements de produits de fission.
Dans cet exposé, on s'intéressera à la mesure des fragments de fission, qui permet de mettre en lumière les effets de couches en jeu dans un système fissionnant mais aussi de remonter à la compacité à la scission. Par exemple, la fission à basse énergie dans la région des actinides est connue pour être asymétrique, déterminée notamment par la structure des fragments naissants. Une transition d'une fission asymétrique vers une fission symétrique compacte est également connues dans les isotopes de Thorium. Pour des noyaux plus légers, leur fission était supposée essentiellement symétrique, mais le fractionnement asymétrique observé dans le $^{180}$Hg a rendu cette hypothèse caduc.
Dans le but d'obtenir une vision claire de l'ensemble des différents modes de fission, je présenterai en particulier le dispositif expérimental appelé SOFIA dans le cadre de la collaboration R3B au GSI en Allemagne. Il s'agit d'un système expérimental complexe qui permet de détecter les deux fragments en même temps. Ces derniers sont issus d'une fission induite par excitation Coulombienne à des énergies relativistes. Je présenterai quelques résultats clés de ces dernières années obtenus à la suite des campagnes expérimentales SOFIA.
Orateur: Pierre Morfouace -
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Modélisation de la désexcitation des fragments de fission
Au cours de la fission nucléaire, un noyau atomique se scinde en deux noyaux plus légers appelés des fragments de fission. Les fragments ainsi émis à l’issue de cette scission sont laissés dans des états très énergétiques, du fait de l’excitation des protons et neutrons qui les composent, et d’excitations collectives (rotation). Par conséquent, les fragments sont instables, et doivent émettre des particules, principalement des neutrons et des photons (rayons gammas), afin d’atteindre un état plus stable et moins énergétique. La nature, le nombre et l’énergie de ces particules constituent des données de première importance, à la fois pour la physique fondamentale et pour les applications pratiques de la fission, notamment la production d’énergie électronucléaire.
Dans cette optique, le CEA développe depuis plusieurs années le code de calcul FIFRELIN, dont l’objectif est de modéliser la désexcitation des fragments de fission afin de prédire les caractéristiques des particules émises dans les premiers instants suivant la scission d’un noyau atomique. Confronter ces prédictions à des résultats expérimentaux variés, permet de sonder les modèles nucléaires auxquels fait appel FIFRELIN, et d’ainsi mieux comprendre certains aspects du phénomène complexe de la fission.
Cette présentation sera l’occasion d’introduire le code FIFRELIN, et de partager des travaux récemment réalisés au CEA autour de ce code et de la mesure en laboratoire de rayons gammas émis par les fragments de fission.
Orateur: Valentin Piau (CNRS) -
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Probing nuclear structure with slow neutrons at ILL
Among the different approaches to study the structure of nuclei, thermal neutron induced reactions can be used to probe different phenomena. Capture reactions on (rare) stable or radioactive targets populate low-spin states below the neutron separation energy. With thermal neutron induced fission on actinides, neutron-rich nuclei are populated at moderately high spin. Those reactions are used at the Institut Laue-Langevin (ILL, Grenoble), at a high-resolution gamma-ray spectroscopy setup. FIPPS (Fission Product Prompt gamma-ray Spectrometer) has been used to study the structure of nuclei in different region of the nuclear chart, addressing phenomena as shape coexistence in different region of the nuclear chart.
After a general introduction about the nuclear physics activities at the Institut Laue-Langevin, recent results obtained in different experiments at FIPPS will be reported. Particular focus will be dedicated to the first fission campaigns, showing the innovative technique of fission tagging and first results. Preliminary results on the structure of neutron-rich Br isotopes will be shown as well as the ones already published about the structure of nuclei produced after neutron-induced reactions on beta radioactive targets. The future perspectives for the coupling of the existing FIPPS setup to a fission-fragment identification system will also be outlined.Orateur: Caterina Michelagnoli (Institut Laue-Langevin)
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Mini-colloques: MC04 Mécanique et le vivant: 2 Salle Cécile Renault
Salle Cécile Renault
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Physics of small cell aggregates
Biological tissues self-organise thanks to patterning processes coupled to cellular mechanical interactions, which play a fundamental role in driving coordinated cell movements. Here I will discuss how polarity-oriented active mechanical forces drive collective cell motion in three dimensions. I will introduce the framework of « interacting active surfaces », which describe cell aggregates as mechanically coupled flowing active surfaces. I will discuss the three-dimensional rotational motion of cell doublets, which arise from polarised distribution of myosins in the actomyosin cortex of the doublet cells. I will discuss how the shape of the doublet interface can be understood from an analysis of the group of symmetry of the cell doublet and application of the Curie principle.
Orateur: Guillaume Salbreux (Université de Genève) -
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Self-organized cable formation and force transmission in an active vertex model for epithelial tissues
Epithelial tissues play fundamental roles in living organisms. The mechanical behaviour of epithelial tissues involves interactions of many elements. Traditionally it is believed that genes and biochemistry instruct mechanics. Recently, it is becoming clear that mechanics also feeds back onto and drives gene expression and biochemical signalling, but how mechanical feedback affects tissue behaviour remains poorly understood.
One commonly used modelling approach, namely the vertex model, describes an epithelial monolayer as a network of active edges representing cell-cell boundaries. These edges actively contract and sustain tension, which is thus transmitted throughout the tissue. Inspired by experimental observations, we propose a dynamical vertex model combining passive edge viscoelasticity and active myosin motor activities. The model incorporates a known feedback loop in which edge tension regulates motor recruitment. Studying the emergent response of this type of tissue to external forces using both theory and computations, we show that in the presence of feedback, a tissue can become patterned with supracellular actomyosin cables consisting of chains of strongly contracting edges.
Our theory provides a potential explanation for the formation and refinement of actomyosin cables, which are ubiquitous in the development of organisms. From a physical point of view, the spontaneous contractile paths offer mechanisms for long-range force transmission, highlighting novel self-organized mechanical states in active tissues.
Orateur: Mingfeng Qiu (Laboratoire de Physique de l'Ecole Normale Supérieure) -
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Does geometric constraint of individual muscle cells promote differentiation?
Understanding the interplay between electrical coupling, mechanical stimuli and transcription factors in the context of muscle cell differentiation is a challenge for mechanobiology and muscle tissue engineering. We aim to determine the correlation between mechanical and geometrical constraints and spatially resolved differentiation, focusing on single cell scale. I will present my research done on myoblast cells (C2C12) on square and rectangular adhesive micropatterns.
Myoblast cells are specifically interesting as their shape changes from round to elongated in vivo during differentiation. While it has been shown that transcription factor expression of C2C12 depends on their shape, it remains unknown whether this results in a different differentiation fate. Therefore, the aim of our research is to correlate geometrical constraints with differentiation in 2D. The degree of differentiation can be measured along different types of markers, like expression of various transcription factors, proliferation rate, and myoblast membrane potential to shed light both on proteomics and on function.
We focus on early differentiation (timespan of 3 hours). Even at such short time scales, our results point towards an important impact of geometric constraints on membrane potential and proliferation. I will also present our first results on protein expression and transcription.
Orateur: Lorijn van der Spek (MSC, Université Paris Cité) -
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La formation de notre intestin: beaucoup de génétique ... et de mécanique
L’intestin est au centre des investigations en organogénèse depuis que Caspar Friedrich Wolf posa en 1769 les bases de l’embryologie moderne dans son « De Formatione Intestinorum ». Alors que le XXème siècle nous a livré une vision quasi exclusivement génétique du développement des organes, on comprend aujourd’hui que le génome code pour des ensembles de propriétés macroscopiques physiques – mécaniques, chimiques et électriques – qui font advenir l’organe dans un schéma auto-cohérent, où fonction et morphogénèse sont intimement liées. J’exposerai ici les forces qui agissent sur l’intestin en développement et leur rôle central dans tous les aspects de sa morphogénèse : structuration du système nerveux entérique, de l’épithélium digestif, du muscle lisse, croissance anisotrope et développement des réflexes digestifs.
Orateur: Nicolas CHEVALIER -
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How insects deploy their wings
During their final transformation, insects emerge from the pupal case and within a few minutes, they deploy their wings for the very first time. Wings expand from a compact, pleated structure, to form a planar, rigid wing blade that allows flight. The deployment is powered by an increase of internal pressure, and by the subsequent injection of hemolymph into the deployable wing structure.
To study this phenomenon, we turned to the fruit fly Drosophila Melanogaster. We first characterized the unfolding kinematics at the organ scale. Using optical microscopy, we analyzed the shape of the initial origami-like folded wing, and its relationship to the final network of veins. We then imaged wing sections using transmitted electron microscopy to study the morphological evolution of the wing cross-section, at different stages of expansion. We used micro-tomography to gain insight into the 3D structure of the folded wings, as well as their internal structure. We found that beyond the mere unfolding of the macroscopic folds, wing deployment also involves an expansion of cell surface area and the unfolding of microscopic folds of the cuticle enveloping the wing, leading to a two-fold wing size increase. We complemented these observations with mechanical measurements of the wing elasticity, characterization of the hemolymph flow, and scaling analyses, building an integrated understanding of how the pressure increase enables consistent wing deployment through the fluid-structure interaction.
This work combines morphometric, kinematic, and mechanical analyses to provide insight into a fascinating, yet largely overlooked phenomenon: how insects deploy their wings.
Orateur: Dr Raphaël Clément (Institut de Biologie du Développement de Marseille) -
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Adhesion hierarchy and mechanical stress drive the organization of biomimetic emulsions
Biological tissues remodelling occurs through bio-chemical signalling and mechanical processes. In such complex biological systems, unravelling the contribution of a given parameter, for instance cell-cell adhesion regulation, therefore represents a huge challenge. In order to work in a simplified framework, we use adhesive emulsions as a biomimetic system of adhesive tissues, where each oil droplet mimics a cell in the tissue and droplets can adhere to each other through specific (DNA bonds) or non-specific (Biotin-Streptavidin bonds) interactions to mimic cell-cell adhesion. At equilibrium, we can correlate the deformation of the droplet with the binding energy, which is given by the length of the strand in the case of DNA-driven interactions.
We focus on how this interdroplet adhesion modulates the response of our biomimetic tissues under mechanical perturbations such as those encountered during development. We thus study the elastoplastic response of the emulsion as a function of the tuneable binding energy, interaction hierarchy, and applied stress.
To do so, we flow dense emulsions in a microfluidic constriction where the geometry of the channel determines the stress field applied to the system. In particular, introducing a binding energy differential in the packing, we try to uncover the influence of the applied stress combined with the adhesion hierarchy over the rearrangements that occur in the packing at the local scale. We also explore the emergence of self-organization as a function of adhesion when the emulsions are submitted to repeated mechanical perturbations.Orateur: Quentin Guigue (Laboratoire Jean Perrin - Sorbonne Universite) -
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Evolutionary Emergence of Primitive Gut of First Metazoa Triggered by Environmental Mechano-Biochemical Marine Stimulation
The evolutionary emergence of the primitive gut in Metazoa is one of the decisive events that conditioned the major evolutionary transition leading to the origin of animals. It is thought to have been intimately associated with endomesoderm specification in multicellular tissue and its invagination (i.e. gastrulation). However, the biochemical signals underlying endomesoderm specification and gastrulation evolutionary emergence remain unknown. Here we find that hydrodynamic mechanical strains, reminiscent of soft marine flow, trigger active tissue invagination/gastrulation or curvature reversal via a Myo-II-dependent mechanotransductive process in the metazoan Nematostella vectensis (Cnidaria) and in the multi-cellular choanoflagellate Choanoeca flexa considered as the closest living relative to metazoans. We also show that, like in bilaterian animals, gastrulation in the cnidarian Nematostella vectensis induces biochemical specification of the endomesoderm through mechanical activation of the catenin pathway via the phosphorylation of Y654-cat. The common ancestor of these distinct organisms dates back to at least 700 million years ago.
Orateur: Dr ngoc minh NGUYEN
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Mini-colloques: MC14 Sources de photons sur accélérateurs pour l'étude des biomolécules en phase gazeuse: 2 Salle Cécile DeWitt-Morette
Salle Cécile DeWitt-Morette
Président de session: Debora Scuderi (Institut de Chimie Physique, CNRS-Université Paris Saclay)-
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Molecular structure identification in mass spectrometry by Free-Electron Laser-based IR ion spectroscopy
Mass spectrometry (MS) is one of the primary analytical methods in the characterization of complex mixtures, samples that contain thousands of molecular constituents in concentrations that vary by many orders of magnitude. Both sensitivity and resolving power of MS are unparalleled by other analytical methods. However, determination of molecular structures on the basis of MS data is challenging, as a single molecular weight value may correspond to many structural isomers. Tandem mass spectrometry (MS/MS) provides further molecular structure information, but relies strongly on empirical matching with previously obtained MS/MS spectra from reference standards, often collected in mass spectral libraries.
In contrast to MS, spectroscopic techniques directly probe molecular structure. The FELIX free-electron laser provides opportunities for molecular structure identification in MS, as it enables integration of MS with infrared (IR) spectroscopy. IR spectra can be recorded with the selectivity of MS, i.e. for individual components in a complex mixture [1]. The IR spectra may be related to molecular structure via reference spectra, either from actual physical reference standards, but also from IR spectra predicted in silico using density functional theory (DFT). Accurate spectral prediction is possible with DFT, thus enabling reference-free molecular structure identification.
A prominent example of complex mixture analysis involves body fluid samples of patients containing metabolites that may serve as valuable biomarkers for their pathological condition. We will show examples of how we apply this method to identify new biomarkers for inborn errors of metabolism [2] in an extensive collaboration with researchers at Radboud University Medical Centre. With accurate molecular structure information in hand, new strategies for diagnostics, e.g. in newborn screening, and therapeutics may be developed [3].
The method of infrared ion spectroscopy (IRIS) is also applicable in fields beyond metabolomics. Molecular structure identification of unknown compounds is for instance also relevant environmental studies (e.g. drinking water contaminants), pharmaceutical sciences (drug metabolism) and forensic investigations (molecular structure of uncontrolled “designer” drugs). We will present new strategies towards (partially) automated molecular structure annotation based on IRIS in combination with conventional tandem-MS approaches.
[1] J. Martens, et al., Anal. Chim. Acta, 1093, 1 (2020).
[2] R.E. van Outersterp et al., Anal. Chem. 93, 15340 (2021); J. Merx et al. Commun. Biol. 5, 997 (2022)
[3] U.F.H. Engelke, et al. J. Clin. Invest. 131, e148272 (2021)Orateur: Jos Oomens (Radboud University) -
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Activation and spectroscopy of mass and charge selected ions
Gas phase spectroscopy provides unique advantages by allowing access to intrinsic properties of matter in the absence of solvents, making it an excellent means to test theoretical methods. However, this approach requires placing the sample in the gas phase, which can be challenging for large or fragile species such as biomolecules. Modern ionization techniques, such as electrospray ionization (ESI) and matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI), have demonstrated potential for bringing large, complex, and fragile assemblies intact into the gas phase, albeit in ionic form (protonated or deprotonated). Confining ions is difficult, but ion trapping devices spatially confine the ions, though they remain highly dilute.
Direct absorption spectroscopy of dilute ionic targets is challenging. Action spectroscopy offers a means to circumvent this difficulty by observing the effects of photon absorption by mass spectrometry. Mass spectrometry-based action spectroscopy offers unprecedented control over the target, including the isotopic content, elemental composition, charge, temperature, and molecular shape/conformation, in combination with ion mobility. However, such experiments require highly brilliant photon sources found in accelerator-based facilities.
Action spectroscopy of bioorganic ions has been performed using synchrotron radiation at the SOLEIL facility in the VUV using the DESIRS beamline [1]. Targets are produced by ESI, stored, and irradiated in the photon energy range of interest in an ion trap [2]. The products of irradiation are monitored by measuring the mass spectrum after photon excitation, which is sensitive to changes in the mass-to-charge ratio of the product compared to the precursor ion of interest, allowing the study of photoionization, photodetachment, and photofragmentation dynamics.
We will illustrate the potential of this method for analytical and structural chemistry, as well as for gaining information on the electronic structure and VUV photodynamics of a broad array of biomolecular targets.[1] L. Nahon, N. De Oliveira, G. a. Garcia, J. F. Gil, B. Pilette, O. Marcouillé, B. Lagarde, F. Polack, Journal of synchrotron radiation 2012, 19, 508–520.
[2] A. R. Milosavljević, C. Nicolas, J.-f. F. J.-F. Gil, F. Canon, M. Réfrégiers, L. Nahon, A. Giuliani, Journal of synchrotron radiation 2012, 19, 174–178.Orateur: Alexandre GIULIANI (Synchrotron SOLEIL) -
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Mapping the electronic transitions of protonation sites in peptides using soft X-ray radiation
Proton transfer is a fundamental charge transfer process in Chemistry, and it is particularly important for biological molecules, since they usually contain basic groups. Therefore, in order to study charge dynamics in isolated biomolecules, it is crucial to determine the initial location of protons. Although it is now well established that protonation occurs primarily at nitrogen atoms of the most basic side chains (arginine, histidine, lysine) of protonated peptides, in the absence of such group or in the case of multi-fold protonated species, the N-terminus and the peptide backbone oxygens can compete for the proton(s). IR multiphoton dissociation (IRMPD) has been extensively used for the determination of protonation sites but also geometrical structure of biomolecules in the gas phase [1]. However, the fragmentation yield falls rapidly with the number of atoms in the molecule, since IRMPD is a statistical process. Thus, there is a need for other methods able to determine the protonation sites of large systems.
In this context, near-edge X-ray absorption mass spectrometry (NEXAMS) is a promising technique as it provides a local probe into the atomic environment. NEXAMS is based on the electronic excitations of core electrons to unoccupied molecular orbitals and thus captures the electronic and geometric structure of a system under investigation. For instance, through photoabsorption around the nitrogen K-edge, it is possible to distinguish between the secondary and primary amine groups of proline and glycine, respectively.[2] In order to map the electronic transitions of the different protonation sites in peptides, we studied, experimentally and theoretically, the following tailored glycine-based peptides: G4X where X is the basic residue Arginine, Histidine or Lysine (i.e. the singly-protonated peptides contain a protonated side chain and a non-protonated N-terminus), PG4 where P stands for Proline, G5 (protonation on N-terminus), and G3 (controversial protonation site)[3],[4].
The NEXAMS experiments have been carried out at the P04 soft X-ray beamline of the PETRA III synchrotron (DESY, Hamburg, Germany) using our home-built tandem mass spectrometer and at the UE52_PGM Ion trap endstation of the BESSY II synchrotron (HZB, Berlin, Germany). The analysis was supported by calculations of the electronic transitions of the most stable conformers obtained with a REMD (Replica Exchange Molecular Dynamics) method. Results obtained on the custom-made peptides at the nitrogen K-edge will be presented.[1] A. Rijs, J. Oomens, in GAS-PHASE IR SPECTROSCOPY AND STRUCTURE OF BIOLOGICAL MOLECULES (Eds.: A. Rijs, J. Oomens), 2015, pp. 1–42.
[2] O. Plekan, V. Feyer, R. Richter, M. Coreno, M. de Simone, K. C. Prince, V. Carravetta, Journal of Physical Chemistry A 2007, 111, 10998–11005.
[3] R. Wu, T. B. McMahon, J. Phys. Chem. B 2009,113, 8767-8775.
[4] H. Li, J. Jiang, Y. Luo, Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, 15030-15038.Orateur: Juliette Leroux -
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New opportunities for THz-XUV pump-probe experiments after upgrading the FEL at Hamburg (FLASH)
FLASH at DESY in Hamburg has a unique FEL scheme, which includes XUV and THz undulators, providing soft X-Ray and intense tunable THz pulses at a high repetition rate simultaneously with low jitter [1]. The combination of XUV and THz pulses at FLASH enables time-resolved pump-probe experiments to study structural and electron dynamics of molecules[2,3], coherent control of magnetization dynamics[4], and study matter at extreme conditions[5]. The THz beam at FLASH1 has its own unique features of intense pulse energies up to 150µJ at high-repetition rates and tunable wavelengths from 300µm (1THz) to 10µm (30THz).
With the upcoming upgrade of the THz beamline within the 2020+ project, FLASH will provide seeded FEL pulses in the range between 3.6 nm – 60.9 nm, plus XUV 3rd harmonic reaches O k-edge, in combination with strong THz pulses in the range between 1 THz – 30 THz, tunable pump-probe laser and dedicated THz-XUV experimental endstations, opening new opportunities for most challenging ultrafast XUV-THz pump-probe experiments.
References:
[1] R. Pan, DESY: "Photon diagnostics at the FLASH THz beamline", J. Synchrotron Rad. 26, 700-707 (2019).[2] U. Fruehling, DESY: Electronic decay in a dissociating molecule: THz streaking of core-excited HCl molecules”, Structural Dynamics, 6, 034301, (2019)
[3] M. Krikunova, Technische Universität Berlin: THz streak camera performance for single-shot characterization of XUV pulses with complex temporal structures, Opt. Express 28, 20686-20703 (2020).
[4] Liu, X., Jal, E., et al., Investigating Coherent Magnetization Control with Ultrashort THz Pulses. Appl. Sci. 2022, 12, 1323.
[5] S. Glenzer/Z. Chen, SLAC: Ultrafast Multi-cycle Terahertz Measurements of the Electrical Conductivity in Strongly Excited Solids Nat Commun 12, 1638 (2021)
Orateur: Ekaterina Zapolnova (DESY) -
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Host-guest complexes between beta-cyclodextrins and small drugs for SERS detection in drinking water
beta-CycloDextrin (b-CD) is a macrocyclic oligosaccharide composed of seven D-glucopyranoside units linked in alpha-(1,4) bonds. b-CD has a truncated cone tri-dimensional structure. Its central cavity is hydrophobic, allowing low-polarity molecules to be encapsulated partially or entirely by host-guest interaction, meanwhile the external part is hydrophilic because of the presence of 21 hydroxyl groups making b-CD soluble in water. This host-guest type relationship can modify the physical, chemical or biological characteristics of the guest molecule, and applications are found in practically all sectors of industry. One of these applications consists in functionalizing silver nanoparticles with b-CD-SH in order to develop a Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) sensor to detect pollutants such as PAHs [1]: the b-CD cavity traps PAHs near the metallic surface where the large increase in Raman cross-section is induced. Such a SERS sensor could be considered for the detection of traces of small drugs (salicylic acid, paracetamol) in drinking water. That is why we have started to study host-guest complexes between salicylic acid or paracetamol with b-CD.
The advent of soft ionization techniques has allowed for extensive examination of cyclodextrin complexes by mean of mass spectrometry, and structural information on b-CD complexes have recently been provided by IRMPD and IM spectroscopy [2] or also action-FRET [3]. Our goal is to probe in the gas phase the relative position of the non-covalently bound subunits in two systems: complexes between salicylic acid and b-CD and complexes between paracetamol and b-CD. These structures are obtained by combining IRMPD spectroscopy experiments and quantum calculations for simulating IR spectra on mass-selected ions. Comparison with studies in the condensed phase will give information on the possible conversion of inclusion complexes to nonspecific complexes (and vice versa) and on the importance of relative interactions for the formation of the complexes.
We have started to extend these studies to different molecular cages, more precisely gamma-cyclodextrin (eight glucopyranose units) and methylated beta-cyclodextrins : the degree of methylation should modify characteristics such as complex formation, toxicity and solubility for the included guest molecule [4].[1] Tijunelyte et al. Environ. Sci. Pollut. Res., 24, 27077-27089 (2015).
[2] J.U. Lee et al. Molecules 25, 4048 (2020).
[3] Q. Duez et al. New J. Chem. 41, 41, 1806 (2017).
[4] Fenyvesi et al. J. Pharm. Sci. 103, 1443-1452 (2014).Orateur: Nicolas Nieuwjaer (Laboratoire de Physique des Lasers, Université Sorbonne Paris Nord, CNRS)
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192
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Mini-colloques: MC15 Matière molle : des concepts fondamentaux à la fabrication de systèmes originaux: 3 Salle Louis Armand Est
Salle Louis Armand Est
Président de session: Pawel Pieranski (Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris-Saclay, France)-
197
L'auto-assemblage est-il une nanotechnologie ? le cas des métamatériaux
L’auto-assemblage est l’organisation spontanée de constituants élémentaires en motifs ou structures sans intervention humaine. Les processus d’auto-assemblage sont fréquents dans la nature à différentes échelles de dimension et sous l’effet de différents types d’interactions. Les phénomènes d’auto-assemblages de colloïdes et/ou polymères contrôlés par la thermodynamique sont étudiés depuis plusieurs décennies. Peuvent-ils être utilisés pour mettre en œuvre des concepts de nanotechnologie ? Nous explorons le cas des métamatériaux, des matériaux conçus comme un assemblage de résonateurs élémentaires, dont la structure génère une propriété spécifique et non-naturelle de propagation des ondes. Des assemblages nanocomposites peuvent ainsi présenter des propriétés inhabituelles de propagation de la lumière, comme une anisotropie extrême rendant propagatives les ondes évanescentes, ou des modes ressemblant à une aimantation par le champ magnétique de la lumière. Ces réalisations, importantes du point de vue fondamental, sont des petits pas en direction d’un contrôle précis à la fois de la permittivité diélectrique et de la perméabilité magnétique, pour les longueurs d’onde visible, en chaque point d'un matériau artificiel 3D, qui donnerait accès à l'optique de transformation.
Orateur: virginie PONSINET (CNRS-Univ. Bordeaux) -
198
Auto-organisation et dopage de films ultra-minces de polymères conducteurs
Le poly(3-hexylthiophène) (P3HT) régiorégulier est un polymère conducteur électronique rigide largement étudié pour la fabrication de transistors à effet de champ et de cellules photovoltaïques. Nous proposons de fabriquer des films ultra-minces (quelques nm d’épaisseur) de P3HT à l’interface entre l’eau et l’air, puis de les transférer sur un substrat solide à une pression de surface de 5 mN/m par la technique de Langmuir Schaefer inversée (LSI). Grâce à la diffraction rasante (GIXD) et la réflectivité des rayons X (XRR), nous avons pu montrer que le P3HT forme une bicouche organisée (structure edge-on) où une maille rectangulaire dans le plan horizontal a pu être déterminée, avec a=0.778nm et b=0.768nm. La direction a est associée à la chaîne principale du polymère alors que la direction b est associée à l’empilement π-π des thiophènes entre les chaînes (Figure A).
La conductivité électronique des films épais à base de P3HT élaborés par spin-coating ou drop-casting augmente significativement après dopage (de ~10-4 S/cm à l’état neutre à ~10-1 S/cm à l’état dopé) par du chlorure ferrique (FeCl3) ou par du 2,3,5,6-tétrafluoro-7,7,8,8-tétracyanoquinodiméthane (F4TCNQ). Nous avons donc cherché à doper les films ultra-minces de P3HT étudiés de deux manières, soit après transfert sur substrat solide par trempage dans une solution de F4TCNQ ou de FeCl3 (dopage ex situ), soit avant transfert en déposant un film de P3HT mélangé au F4TCNQ (dopage in situ). Cette dernière méthode permet de contrôler la quantité de dopant dans le film.
La figure B montre que les films de P3HT non dopés possèdent une conductivité électronique de l’ordre de 10-4 S/cm alors que celle des films dopés ex situ (au F4TCNQ ou au FeCl3) atteint 0.1 S/cm. La nature du dopant influe sur la cinétique de dédopage des films : avec le FeCl3 la conductivité après 24h atteint une valeur proche de celle des films non dopés alors qu’elle est atteinte après 72h avec le F4TCNQ. Pour les films dopés in situ au F4TCNQ, la conductivité augmente progressivement (non montrée) avec la quantité de F4TCNQ jusqu’à 34%mol où elle atteint une valeur équivalente à celle du film dopé ex situ. Ensuite, la conductivité diminue avec 50%mol en F4TCNQ. Ce résultat a été expliqué dans la littérature pour des films de P3HT élaborés via spin-coating par la saturation du film en F4TCNQ et par conséquent la diminution de la quantité des chaînes de P3HT conductrices.
Dans les films dopés in situ, l’évolution des spectres de XRR indique un épaississement des films de P3HT avec la quantité de F4TCNQ (Figure C). Les spectres de GIXD montrent que les pics de diffraction se décalent vers de plus grands qxy lorsque l’on augmente la quantité de F4TCNQ, ce qui indique un léger rétrécissement de la maille dans le plan horizontal (Figure D). Nous concluons que le F4TCNQ s’insère uniquement dans le plan vertical, au centre de la bicouche, entre les chaînes latérales désorganisées du P3HT.
Orateur: M. Hugo Fernandez (CY Cergy Paris Université, Laboratoire de Physicochimie des Polymères et des Interfaces) -
199
Utilisation en vitrage actif d'un réseau de défauts en phase cristal liquide.
Les cristaux liquides sont des phases intermédiaires entre les cristaux et les liquides usuels et sont constitués le plus souvent de molécules allongées. Ces phases présentent un ordre orientationnel (nématique) et parfois positionnel (smectique) des molécules. Sous certaines conditions, il est donc possible d’y induire des défauts topologiques qui affectent ces différents types d’ordre. Plus particulièrement, en phase smectique A (empilement unidimensionnel de couches liquides), certains défauts topologiques appelés « coniques focales » peuvent remplir tout l’espace (figure 1, 1) [2, 3]. Cette propriété a déjà été utilisée, par exemple, pour disperser des particules plasmoniques et ainsi moduler leur réponse optique [4, 5]. Cependant, le réseau de défauts topologiques du cristal liquide présente en lui-même des propriétés optiques intéressantes, jusqu’à présent peu étudiées et peu exploitées [6 – 8].
Au terme d’un travail de formulation d’un système à base de cristal liquide et de polymère, nous avons réussi à concevoir, à partir d’un tel réseau, un vitrage actif qui peut passer d’un état diffusant et masquant à un état transparent [9]. Nous avons cherché à déterminer l’influence des différents paramètres physico-chimiques de ce système complexe sur le pouvoir masquant du dispositif. Puis la diffusion de la lumière par le réseau de coniques focales a été étudiée en vue de cette application. Enfin, nous avons aussi exploité la faculté des cristaux liquides de s’aligner sous champ électrique pour fabriquer un prototype de fenêtre intelligente commandé par une tension électrique [10].Réferences:
[2] I. Gryn, et al., Advanced Functional Materials, 25, 142 (2015).
[3] A. Suh, et al., Soft Matter, 15, 5835 (2019).
[4] E. Lee, et al., Advanced Materials, 28, 2731 (2016).
[5] B. Rožič, et al., ACS Nano, 11, 6728 (2017).
[6] W.H. Chu, D.Y. Yoon, Molecular Crystals and Liquid Crystals, 54, 245 (1979).
[7] N.A. Clark, A.J. Hurd, Journal de Physique, 43, 1159 (1982).
[8] N. Nawa, et al., Japenese Journal of Applied Physics, 30, 1038 (1991).
[9] G. Boniello, et al., Macromolecular Rapid Communications, 42, 2100087 (2021).
[10] Mondiot, F. Dispositif Electrocommandable a Diffusion Variable Par Cristaux Liquides et Son Procede. FR3086771A1, April 3, 2020.Orateur: Camille Mahyaoui (1-Laboratoire Surface du Verre et Interfaces Saint-Gobain/CNRS, Aubervilliers. 2-Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris-Saclay, CNRS, Orsay. 3-Physique des Systèmes Complexes, UPJV, Amiens.) -
200
Analogue d’une transition de Fréedericksz dans une phase smectique A.
Il existe deux classes importantes de phases cristal-liquides : la phase nématique dans laquelle les molécules sont en moyenne dirigées dans une direction, le directeur n, et la phase smectique dans laquelle il existe en plus des couches de molécules. De nouvelles molécules cristal-liquides de forme courbée suscitent actuellement beaucoup d’intérêt parce qu’elles présentent des phases mésomorphes de plus basse symétrie, voire même, en phase nématique, des modulations spontanées du directeur n comme dans la phase nématique twist-bend par exemple. Ces nouvelles phases cristal- liquides possèdent des propriétés inhabituelles.
L’effet électro-optique le plus typique de la phase nématique est la transition de Fréedericksz qui correspond à une réorientation globale d’un nématique ancré en surface sous l’effet d’un champ électrique. Cet effet est à la base de presque tous les dispositifs électro-optiques d’afficheurs à cristaux liquides. Les smectiques habituels (uniaxes) ne présentent pas de transition de Fréedericksz car la réorientation du directeur déformerait leurs couches, ce qui coûterait trop d’énergie. Nous présentons une analyse structurale et électro-optique des phases cristal-liquides d’un dimère courbé, le BNA7-6. En descente en température à partir du liquide ordinaire, la séquence de phases : nématique usuel (N), nématique twist-bend (NTB), puis smectique A biaxe (SmAb) est observée. Contrairement aux smectiques usuels, la phase SmAb présente une réponse électro-optique remarquable avec une tension seuil faible (<4V), pas de réorganisation des couches, et un temps de réponse faible (<1ms). Nous interprétons cet effet inattendu comme une transition de Fréedericksz affectant le directeur secondaire m du SmAb et nous la modélisons par analogie avec la transition de Fréedericksz du directeur n de la phase nématique uniaxe [1]. Cet effet original pourrait être exploité pour mettre au point des dispositifs électro-optiques plus rapides que ceux basés sur la phase nématique.[1] C. Meyer, P. Davidson, D. Constantin, V. Sergan, D. Stoenescu, A. Knezevic, I. Dokli, A. Lesac, and I. Dozov, Fréedericksz-Like Transition in a Biaxial Smectic-A Phase, Phys. Rev. X 11, 031012 (2021). https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.031012
strong textOrateur: Claire Meyer (Université de Picardie Jules Verne, Physique des Systèmes Complexes) -
201
The natural bubble size distribution of coarsening liquid foams
Foams are dense packings of bubbles in a surfactant solution. Their structure strongly depends on the liquid volume fraction φ they contain. In the limit where φ->0, in so-called dry foams, bubbles are polyhedral with thin film separating them. As φ increases, bubbles become less compressed, their shape tends towards that of a sphere which is reached at the jamming transition φ* where contacts between bubbles vanish. Foam structure is intrinsically unstable. It may evolve with time due to gravity drainage, bubble coalescence or coarsening. The latter, similar to Ostwald ripening in dilute emulsion, arises from gas exchanges between neighbouring bubbles driven by Laplace pressure differences. Mean field models predict that foams and bubbly liquids should converge towards a scaling state with characteristic growth laws of average bubble size and distribution of bubble sizes [1,2]. We present a study of the coarsening of foams where drainage and coalescence have been suppressed. We show the natural bubble size distributions of a coarsening foam in the scaling state, which depend on its liquid content.
In order to suppress gravity effects, we performed experiments with wet foams in microgravity, on board the International Space Station [3], and dry foams on ground using a clinostat. Coalescence was prevented by the large concentration of surfactant of the foaming solution. From image analysis of the foam surface [4], we determine the probability distribution functions of the bubble radii.
Our results unveil an unpredicted feature of the distributions as they exhibit a sharp peak of bubbles much smaller than the average size, which introduces hierarchy in the foam structure. We call these “roaming” bubbles since they appear to lose contact with their neighbours and just roam through the interstices between the bubbles. We show that the characteristic size of the roaming bubbles can be predicted by a scaling law taking into account the foam permeability, which sets the opening of the interstices with the increase of φ. The roaming bubbles persist up to the jamming transition. We study the impact of foam polydispersity on the random close packing fraction and compare it to that numerically predicted for hard sphere polydisperse packings. Since liquid foams are precursors of solid ones, their hierarchical structure may be interesting for the synthesis of aerated cellular materials where such a microstructure is desired.[1] Mullins W.W., J Appl Phys, 59, 1341 (1986)
[2] Lifshitz I.M. and Slyozov V.V., J. Phys. Chem. Solids, 19, 35 (1961)
[3] Born P., et al, Rev Sci Instrum, 92, 124503 (2021)
[4] Pasquet M. et al, C. R. Acad. Sci. Paris, under pressOrateur: Nicolo Galvani (Navier Univ Gustave Eiffel/ INSP Sorbonne Univ) -
202
Quasi-crystalline order in vibrated granular matter
The last two decades have seen growing interest in soft-matter quasi-crystals: they have
been observed in a wide range of systems, from the nanoscale to the micrometer scale,
and are considered to be promising bandgap materials for next-generation photonic
devices. In this context, two fundamental problems are: i) understanding up to which
length scale quasi-crystalline order may form spontaneously, and ii) identifying the key
dynamical properties needed for a soft-matter system to form a quasi-crystal.
In this talk, I will provide numerical and experimental evidence of quasi-crystalline order in a binary mixture of millimeter-size spherical grains vibrated on a substrate. The presence of frictional forces (unavoidable for macroscopic objects) and external driving make this system intrinsically off equilibrium. Our findings demonstrate that quasi-crystals can be formed also by macroscopic particles (i.e. far beyond the micron scale where thermal motion can still occur), as well as in systems whose dynamics are far out of thermodynamic equilibrium.Orateur: Andrea Plati (Laboratoire de Physique des Solides) -
203
Gaz granulaire en microgravité
Les milieux granulaires composés de particules de tailles différentes présentent des motifs de ségrégation spectaculaires lorsqu’ils sont mis en mouvement [1]. Les processus physiques qui conduisent à la ségrégation sont encore mal compris. L'objectif de notre travail est d'étudier expérimentalement ces processus de ségrégation dans des expériences contrôlées en microgravité.
L’approche expérimentale repose sur l’utilisation d’une table soufflante [2] permettant de produire des milieux granulaires modèles « bidimensionnels » en microgravité (avec des pastilles) et de générer des gradients de cisaillement indépendants de la gravité par un dispositif de type Couette.
Avant d’étudier les mélanges, nous avons caractérisé les propriétés d’un gaz granulaire mono-disperse (en taille) sur la table soufflante en l’absence de cisaillement. Nous avons notamment déterminé les distributions statistiques du module de la vitesse, v, pour différentes fractions surfaciques occupées par des disques. Plus la fraction surfacique est petite, plus la distribution est étalée. Les distributions de vitesse coïncident généralement avec des distributions Maxwelliennes ; elles s’en écartent dans le domaine des faibles fractions surfaciques (régime de Knudsen). Nous avons aussi caractérisé comment la température granulaire, Tg, définie comme la fluctuation de la vitesse ($T_{g}=\frac{
Dans les milieux granulaires, les collisions sont dissipatives. Pour les caractériser, on introduit un coefficient de restitution défini comme le rapport des vitesses relatives avant et après le choc. Celui-ci dépend en général des caractéristiques des matériaux, de la taille des objets et faiblement de leur vitesse [3]. Nous avons analysé les collisions binaires par imagerie rapide et nous avons pu déterminer le coefficient de restitution normal et le taux d'énergie cinétique dissipée lors de la collision. Nous avons ainsi caractérisé leur dépendance aux paramètres matériels et cinématiques.
Nous envisageons aussi d’étudier le cas où le milieu est un mélange de disques de diamètres différents. Contrairement au gaz moléculaire, il n’y a pas d'équipartition de l'énergie. On étudiera la répartition de l’énergie en fonction des caractéristiques du mélange.Références
[1] J. M. N. T. Gray et al. Particle-size segregation in dense granular avalanches. Comptes Rendus Physique, Volume 16, Issue 1,Pages 73-85 (2015).
[2] J. Lemaitre et al J. An air table designed to study two-dimensional disc packings: preliminary tests and first results. Phys. D: Appl. Phys. 23 1396 (1990).
[3] Laurent Labous, Anthony D. Rosato, and Rajesh N. Dave . Measurements of collisional properties of spheres using high-speed video analysis. Phys. Rev. E 56, 5717 (1997).Orateur: Rawad SADAH (Institut de Physique de Rennes)
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197
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Mini-colloques: MC19 Hétérostructures et interfaces de basse dimensionnalité: 2 Salle Claudine Hermann
Salle Claudine Hermann
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204
Unfolding the electronic bands of 2D heterostructures
Two-dimensional heterostructures can be built very efficiently by directly stacking individual monolayers of different 2D materials. Their wide range of functionality allows for applications spanning from tunneling transistors to optoelectronic devices. In order to control the final performance of these systems, it is fundamental to understand how the electronic properties of each layer are affected by the neighboring one. These effects can be reliably described within the framework of density functional theory (DFT), but the electronic structure derived from a supercell moiré model results in highly folded bands, which are difficult to relate to those of the reference non-stacked layers. This complication can be overcome by using unfolding methods that provide an effective band structure, which has great interpretive value.
Here we show how band unfolding can help in understading angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) but also other spectroscopic measurements when combined with theoretical spectroscopic techniques. As an example, we discuss with this ab initio approach the appearance of mini-gaps in the electronic structure of various stacked 2D heterostructures. The excitonic response of twisted semiconducting bilayers measured by electron energy loss spectroscopy (EELS) is also explained by combining the band unfolding of the extended moiré structure with simulations of the optical response of the simplest nontwisted systems obtained by a GW+BSE approach.Orateur: Alberto Zobelli (Université Paris Saclay) -
205
Optical control of spin-crossover molecules adsorbed on metallic substrates
Since several years, the domain of molecular spintronics focuses on the insertion of molecules in spin valve devices. Different studies underlined the crucial role of the interfaces in such kind of devices. To go towards controllable interfaces with external stimuli, spin-crossover molecules are particularly promising as they present two spin states (a high spin state and a low spin state) that can be addressed by temperature or light.
In this context, we investigated the spin-crossover properties of FeII-based adsorbed on metallic substrates. The molecules are self-assembling on Au(111) and Cu(111) to form dense 2D network of monolayer height [1]. In this contribution, we will discuss how the spin state of the molecules can be controlled under light excitation at low temperature. We will demonstrate that the proximity of the metallic substrates leads to a reverse spin-state transition compared to the molecular crystal [2]. Finally, we will show that this effect is limited to the molecule/metal interface [3].
[1] K. Bairagi et al., Nat. Comm. 2016, 7, 12212.
[2] L. Zhang et al., Angewand. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 13341-13346.
[3] M. Kelai et al., J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 1949 - 1954.Orateur: Amandine Bellec (Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques - CNRS/UPC) -
206
Theoretical study of charge density wave in 1T-VSe2 heterostructures
Charge density waves (CDWs) occur in many solids, in particular, in layered materials like transition metal dichalcogenides (TMDs). In bulk 1T-VSe2 the charge density modulation is known to be 4x4x3 with a 4x4 in-plane periodicity and three times the lattice vector out of the plane. However, for the monolayer or Na-intercalated VSe2 the CDW periodicity in the plane becomes √3R30x√7R19 [1]. Here, by means of density functional theory (DFT) calculations, with the Quantum ESPRESSO package, we systematically studied different CDWs in these systems. Calculated phonon dispersions were found to show imaginary frequencies at wave vectors corresponding to both 4x4 and √3R30x√7R19.1 superstructures pointing to associated instabiliy [2]. The related phonon displacement eigenvectors allowed us to set up supercell total energy calculations and obtain energy gains for comparison between different orderings. Next, combining ab initio localized orbitals code Fireball and the Keldysh-Green transport formalism, we have performed scanning tunneling microscopy (STM) simulations of different CDWs which were found to compare pretty well with experimental STM images. Finally, we have also investigated a 1T-VSe2 bilayer. We have found, in particular, that the √3R30x√7R19.1 CDW is more stable in the monolayer while the 4x4 one is more preferable energetically for the bilayer system, as observed experimentally [3].
References:
[1] Chazarin et al, Adv. Mater. Interfaces 2023, 10, 2201680
[2] Si et al, Physical Review B 2020, 101, 235405
[3] Chua et al, ACS Nano 2022, 16, 783-791Orateur: M. Mahé Lezoualc'h (SPEC, CEA, Université Paris Saclay) -
207
Strong electronic winds blowing under liquid flows on carbon surfaces
The interface between a liquid and a solid is the location of plethora of intrincate mechanisms at the nanoscale, at the root of their specific emerging properties in natural processes or technological applications. However, while the structural properties and chemistry of interfaces have been intensively explored, the effect of the solid-state electronic transport at the fluid interface has been broadly overlooked up to now. It has been reported that water flowing against carbon-based nanomaterials, such as carbon nanotubes or graphene sheets, does induce electronic currents, but the mechanism at stake remains controversial. Here, we unveil the molecular mechanisms underlying the hydro-electronic couplings by investigating the electronic conversion under flow at the nanoscale. We use a tuning fork-Atomic Force Microscope (AFM) to deposit and displace a micrometric droplet of both ionic and non-ionic liquids on a multilayer graphene sample, while recording the electrical current across the carbon flake. We report measurements of an oscillation-induced current which is several orders of magnitude larger than previously reported for water on carbon , and further boosted by the presence of surface wrinkles on the carbon layer. Our results point to a peculiar momentum transfer mechanism between fluid molecules and charge carriers in the carbon walls mediated by phonon excitations in the solid. Our findings pave the way for active control of fluid transfer at the nanoscale by harnessing the complex interplay between collective excitations in the solid and the molecules in the fluid.
Orateur: Mathieu Lizée (LPENS) -
208
CARBON NANOTUBE MECHANICAL MASS SENSOR WITH SINGLE MOLECULE RESOLUTION AT ROOM TEMPERATURE
Carbon nanotubes (CNTs) are outstanding materials with very particular mechanical, thermal and electrical properties due to their sp²-hybridization resulting in nearly perfect atomic structures. Two other properties of CNTs are their lightness since their mass are in the range of the attogram (1 ag = 10-18 g) and their defect-free surfaces. CNTs are synthesized using bottom-up methods which were demonstrated to give materials with less defects than their top-down analogues NEMS which are usually etched from silicon or nitride substrates[1]. Interesting sensitivity of 1.4 yg[2] was demonstrated in a cryogenic environment (1 yg = 10-24 g). However, at room temperature, this sensitivity was reported to be much worse 25 zg[3] (1 zg = 10-21 g). This has impeded the use of SWCNTs as sensors in real-life applications.
In this work, we expose that carbon nanotubes used as mechanical resonators exhibit mass sensitivity down to 70 yg, the mass of a single molecule as small as pentane. Noise mechanisms that could limit the sensitivity were attentively inspected. Residual molecules in the gas phase, electrical fluctuations, temperature drifts and Brownian motion could be the origin of those limitations. It was found that our set-up works intimately close to the Brownian noise limit and that it is not bounded to external sources of noise. Moreover, the sensitivity does not seem to get worse when increasing the pressure meaning this sensitivity might be preserved up to ambient pressure. Importantly, the high sensitivity observed here is similar for several SWCNTs, making it a reliable and reproducible set-up.
Our work drive the possibility to carry out single-molecule sensing, in a wide variety of situations like biological applications, metrology, mass spectrometry or surface sciences[1,4].
[1] M. L. Roukes, K. L. Ekinci (2005). Nanoelectromechanical systems. Rev. Sci. Instr., 76, 061101.
[2] J. Chastes, A. Eichler, J. Moser, G. Ceballos, R. Rurali, A. Bachtold (2012). A nanomechanical mass sensor with yoctogram resolution, Nat. Nano, 7, 5, 301-304.
[3] B. Lassagne, D. Garcia-Sanchez, A. Aguasca, A. Bachtold (2008). Ultrasensitive mass sensing with a nanotube electromechanical resonator, Nano. Let., 8, 11, 3735 – 3738.
[4] P. Robin, L. Bocquet (2023). Nanofluidics at the crossroads, Soft Cond. Matt., preprint.Orateur: Clarisse BASSET (Laboratoire Charles Coulomb, Univ Montpellier, CNRS, 34090 Montpellier, France)
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204
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Mini-colloques: MC21 Matériaux quantiques : des prédictions à l'observation: 1 Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
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209
Experimental Signatures of Higher Order Topology
In second-order topological insulators (SOTIs), the bulk and surfaces are insulating, while the edges or hinges conduct current in a quasi-ideal (ballistic) manner, insensitive to disorder. As in the case of quantum spin Hall edges of 2D topological insulators, the current should be transported without dissipation by counter-propagating ballistic helical states with spin orientation locked to momentum. These edge or hinge states open up many possibilities, ranging from dissipation-free charge and spin transport to new avenues for quantum computing. Bismuth, although a semi-metal, has been shown to belong to this class of materials. In our group, we have studied Josephson junctions based on crystalline Bi nanowires and found that they exhibit robust sawtooth current phase relations in a high magnetic field, which is the signature of one-dimensional ballistic edge states. We also demonstrated the topological nature of Andreev states through the dissipative microwave response in a phase-biased configuration. More recently, in a SQUID constructed from a bismuth ring, we have identified the parity relaxation rate by exploring the statistics of the switching current. In order to find different topological insulators with reduced contribution from bulk non-topological states, we are now exploring the quantum transport properties of WTe2, which has been shown to exhibit a quantum spin Hall effect in the few-layer limit, and Bi4Br4. The latter material is a SOTI with a high bulk band gap.
Orateur: Richard DEBLOCK (Université Paris Saclay et CNRS, Laboratoire de Physique des Solides, Paris-Saclay, 91405 Orsay) -
210
From black hole's atmosphere to thermal quenches : probing the gravitational anomaly in quantum materials
Einstein famously argued that energy has mass, which distorts spacetime. Conversely, as spacetime distorts, the energy density varies. This classical phenomenon applies even to massless particles: their thermal energy must vary in an inhomogeneous spacetime. The latter observation underlies an equivalence between a slowly varying temperature profile and a weakly curved spacetime. This equivalence, proposed by Luttinger, is at the core of the formalism describing the heat current generated by a varying temperature.
In this talk, I will show that this useful equivalence neglects quantum fluctuations induced by a strong curvature of spacetime, or equivalently large local variations of temperature.
Upon increasing this curvature, these quantum fluctuations alter the energy conservation, a phenomenon known as the gravitational anomaly of relativistic quantum field theories.
Taking into account such fluctuations is essential to describe the heat current close to a black hole. The recent advent of quantum material with relativistic low energy excitations offer new perspectives to probe such exotic properties in a laboratory. I will discuss new experimental routes to probe these elusive curvature-induced quantum effects in a laboratory.Orateur: David Carpentier (CNRS - ENS de Lyon) -
211
Disentangling lattice and electronic instabilities in the excitonic insulator candidate Ta_2NiSe_5 by nonequilibrium spectroscopy
Ta2NiSe5 (TNS) is an excitonic insulator candidate showing the semiconductor/semimetal-to-insulator (SI) transition below Tc=326 K. However, since a structural transition accompanies the SI transition, deciphering the role of electronic and lattice degrees of freedom in driving the SI transition has remained controversial. Here, I will present an investigation of the photoexcited nonequilibrium state in TNS using pump-probe Raman and photoluminescence (PL) spectroscopies. The combined nonequilibrium spectroscopic measurements of the lattice and electronic states reveal the presence of a photoexcited metastable state where the insulating gap is suppressed, but the low-temperature structural distortion is preserved. We conclude that electron correlations play a vital role in the SI transition of TNS.
Orateur: Yann Gallais (Université Paris Cité) -
212
Investigating Kitaev physics in Co honeycomb lattice materials
The recent Kitaev model (2006) provides an exact model to achieve a quantum spin liquid ground state in a 2D honeycomb lattice system through Ising-like bond- dependent interactions [1]. While first considered as a toy model, a theoretical work from Jackeli and Khaliullin has paved the way towards the realization of Kitaev physics in bulk materials. They first showed that bond-dependent interactions can be achieved through the interplay between crystal field, spin-orbit coupling and bond geometry using 4d and 5d transition metal ions, that exhibit a strong spin-orbit coupling [2]. Since then, a significant amount of experimental works have focused on iridate and ruthenate compounds to find suitable candidate materials. Co2+ ions have been recently put forward for realising Kitaev interactions [3,4,5], despite hosting a weaker spin-orbit coupling than their 4d and 5d counterparts, a prediction we have tested by investigating spin dynamics in two cobalt honeycomb lattice compounds, Na2Co2TeO6 and Na3Co2SbO6, using inelastic neutron scattering. We used linear spin wave theory to show that the magnetic spectra can be reproduced with a spin Hamiltonian including a dominant Kitaev nearest-neighbour interaction, weaker Heisenberg interactions up to the third neighbour and bond-dependent off-diagonal exchange interactions [6]. As the relevance of Kitaev interactions in these materials is still debated, it interrogates the importance of the interplay between spin-orbit coupling and electronic correlations for achieving a Kitaev quantum spin liquid.
[1] A. Kitaev, Annals of Physics 321, 2-111 (2006). [2] G. Jackeli & G. Khaliullin, Phys. Rev. Lett. 102, 017205 (2009). [3] H. Liu & G. Khaliullin, Phys. Rev. B 97, 014407 (2018). [4] R. Sano et al, Phys. Rev. B 97, 014408 (2018). [5] H. Liu, J. Chaloupka and G. Khaliullin, Phys. Rev. Lett. 125, 047201 (2020). [6] M. Songvilay et al, Phys. Rev. B 102, 224429 (2020).
Orateur: Manila SONGVILAY (Institut Néel - CNRS & UGA) -
213
Using phonons to decipher weak symmetry breaking in multiferroics
Strongly correlated systems are characterized by the fact that their low energy properties are not driven by the delocalization resulting from their kinetic energy, but by the effect of Coulomb’s repulsion between electrons. As a result they usually exhibit various ground-states that can be triggered using external conditions such as temperature, electric or magnetic fields, pressure, etc.
Among them are the magneto-electric multiferroic materials, that couple a polar order with magnetic properties. Such systems are characterised by weak symmetry breakings reponsible for the reversible polarisation. Unfortunately,diffraction techniques do not always allow to identify such weak distorsions and the proposed space groups are often over-symmetric, in disagreement with the existence of a measured polarisation.
We will show how carefull symmetry analysis, associated with thorough
comparison between measured and computed phonons modes, allow to decipher weak symmetry breakings and correct polar groups.Examples will be taken with the $\rm CuO^{[2]}$ and $\rm BaFe_2Se_3^{[1]}$ multiferroics compounds.
Orateur: Marie-Bernadette LEPETIT (Institut Néel CNRS) -
214
Solid State Neuroscience
In this talk I shall introduce some basic notions of electronic neuromorphic
functionalities of materials and devices.
I shall first briefly describe our efforts towards implementing artificial neurons
exploiting the electric Mott transition. Then, I shall describe in more detail
our recent work implementing a new silicon-based memristive neuron. This
artificial spiking neuron is extremely simple as it exploits an overlooked
memristive feature of a “forgotten” conventional electronic device, the thyristor.
The main features of the memristive silicon neuron circuit are that it provides
a simple and physical spiking neuron model that can be associated
as LEGO blocks to build spiking neural networks that are relevant to Neuroscience,
which we are beginning to explore.Orateur: Dr Marcelo Rozenberg (LPS Orsay, CNRS - Université Paris Saclay)
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Mini-colloques: MC24 Bicentenaire des équations de Navier-Stokes: 1 Salle Violette Brisson
Salle Violette Brisson
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215
Comment la turbulence contrôle la circulation océanique.
L'océan absorbe 90% de la chaleur associée au réchauffement climatique et 30% du CO2 émis par les activités humaines. Comment de tels traceurs sont accumulés et redistribués au sein de l'océan est un problème clé pour la prédiction du climat futur. Cependant, une description précise des écoulements océaniques est rendue difficile par la grande variété d'échelles et de processus mis en jeu. En particulier, les modèles climatiques reposent sur des paramétrisations relativement ad hoc des processus de transfert turbulent à petite échelle. Je décrirai dans un premier temps les différentes formes de turbulence qui interviennent dans la circulation méridionale océanique. Je présenterai ensuite l'approche physicienne, qui consiste à isoler les processus turbulents à l'aide d'expériences de laboratoire et de simulations numériques idéalisées, afin de développer des paramétrisations physiques du transport turbulent.
Orateur: Basile Gallet (Université Paris-Saclay, SPEC, CEA Saclay) -
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Solutions approchées des équations de Navier-Stokes : résistances françaises aux théories de la couche limite et de la turbulence
L'exploitation des équations de Navier-Stokes a buté, dès leur établissement, sur la difficulté de leur résolution. Il apparut alors que, au-delà de rares situations géométriquement simples tels que l'écoulement de Poiseuille, cette résolution nécessiterait des approximations. Deux classes d'approximation se développent ainsi à partir de la fin du XIXe siècle, à l'origine d'avancées conceptuelles majeures : l'approximation de couche limite pour les écoulements à grand nombre de Reynolds au voisinage d'une paroi, et, pour les écoulements turbulents, les modèles de fermeture des contraintes de Reynolds pour les équations de la vitesse moyenne. Ces théories sont essentiellement élaborées en Angleterre (Reynolds, Taylor) et en Allemagne (Prandtl, von Karman), tandis que les savants français, qui avaient été particulièrement brillants au XIXe siècle (Navier, Poisson, Saint-Venant, Boussinesq), apparaissent en retrait. La recherche de solutions approchées rencontre en effet, en France, de fortes résistances du fait de la domination d'une culture mathématique des solutions exactes, dans le cadre de la mécanique dite "rationnelle".
Dans l'entre-deux-guerres, le chantre de cette culture et grand maître de la mécanique française, le mathématicien Henri Villat, va ainsi contrarier la diffusion en France des nouvelles théories.En dépit de ces résistances, les théories approchées finiront par s'imposer, du fait notamment de personnalités telles que Maurice Roy, Charles Sadron et Joseph Kampé de Fériet. Le premier, suite à un séjour à Göttingen au début des années 1920, fera accepter la théorie de la couche limite à la Sorbonne -- Roy présidera plus tard l'IUTAM. Charles Sadron, à son retour en 1933 du laboratoire de von Karman en Californie, fera connaître en France la théorie de la longueur de mélange pour la turbulence de paroi -- Sadron s'orientera ensuite vers la physique des macromolécules. Joseph Kampé de Fériet, mathématicien et fondateur de l'institut de mécanique des fluides de Lille, s'imposera au niveau international pour ses travaux sur la diffusion turbulente et sur la turbulence atmosphérique, menées notamment avec son étudiant polonais François N. Frenkiel -- lequel fondera en 1958 le journal Physics of Fluids. La communication proposée discutera les travaux de ces chercheurs et leur réception par la communauté scientifique française.
Références :
Charru F. 2021 Ailes, Nuages et Tourbillons. La mécanique des fluides en France de 1900 à 1950 - Une politique nationale. Birkhauser, Springer.
Charru F. 2023 Fluid Mechanics in France in the First Half of the Twentieth Century, Annu. Rev. Fluid Mech. 55, 11-44.
Darrigol O. 2005 Worlds of Flow, Oxford University Press.
Orateur: François Charru (Institut de mécanique des fluides de Toulouse (IMFT)) -
217
Slip and friction at the liquid/solid interface
Almost two hundred years ago, Navier and then Stokes have derived the famous Navier-Stokes equation to describe the motion of flowing fluids. Because it is a differential equation, it requires boundary conditions. For liquids flowing past solid surfaces, Navier has proposed that the force exerted by the liquid on the solid would be proportional to the velocity of the liquid at the surface. If we write this force $F$, the total contact area $A$ and the velocity of the liquid at the wall $V_{s}$, we can write this hypothesis in the form $F = \lambda A V_{s}$, where $\lambda$ is called a friction coefficient.
This assumption has been quickly simplified, and until the end of the XXth century, many people have assumed that the velocity of liquids relative to the velocity of the solid surface is zero, or in other words that $\lambda$ was infinite. This is the so-called “no-slip” boundary condition. Though this hypothesis turned out to be verified in many cases, the emergence of polymer physics as well as nanofluidics has raised again the question: is it possible for a liquid to slip on a solid wall and what would be the underlying mechanisms?
This is a challenging question to answer, because it usually requires measurements over very small length scales. Some cutting-edge techniques as well as molecular dynamics simulations (and more recently quantum simulations) have brought new perspectives on this topic for low-viscosity fluids. An other part of the community have tackled this issue using high-viscosity polymers, which are known to strongly deviate from the no-slip boundary condition. Since polymers are long molecules, their behavior near surfaces is completely different from shorter molecular liquids. This gives rise to fascinating behaviors at the solid/liquid interface.
In particular, the effect of temperature on liquid/solid friction is still an open question. Playing with temperature is a good way to probe the molecular mechanisms underlying friction, since it allows one to change the mobility of the liquid molecules. In addition, it is tempting to cool the liquid down to its melting or glass transition temperature in order to compare the liquid/solid friction and the corresponding solid/solid friction.
After summarizing the evolution of the so-called “slip” boundary condition, I will discuss slip of liquid polymers, their peculiar behavior near solid walls, and the paramount role of temperature on their interaction with the solid surface, and on the liquid/solid friction in general.
Orateur: Suzanne Lafon (Laboratoire de Physique des Solides, Orsay) -
218
Dynamique des grandes échelles en turbulence
Nous présentons une étude expérimentale de turbulence hydrodynamique tridimensionnelle dans laquelle nous étudions la dynamique des échelles plus grandes que l'échelle de forçage. Afin d’obtenir une séparation d'échelle entre l'échelle de forçage et la taille du réservoir, l'énergie est injectée dans le fluide via des agitateurs magnétiques centimétriques. Les mesures expérimentales du champ de vitesse montrent que la dynamique des grandes échelles est en équilibre statistique et que les modes d’énergie peuvent être décrits avec une température effective. Ces études ouvrent la voie à l'utilisation de la mécanique statistique à l'équilibre pour décrire les propriétés à grande échelle des écoulements turbulents tridimensionnels.
Orateur: Jean-Baptiste GORCE (CNRS) -
219
Dancing rivulets in a Hele–Shaw cell
Une huile mouillante injectée entre deux plaques verticales forme un pont liquide, appelé rivelet, qui tombe sous l'effet de la gravité. Ce système simple permet d'étudier la dynamique d'un filet liquide en interaction avec une surface tout en s'abstrayant des problématiques complexes posées par le mouillage partiel. Le comportement du rivelet est non trivial en raison du couplage entre l'écoulement au sein du rivelet et la forme de sa surface libre [1].
Dans ce travail, nous excitons acoustiquement le rivelet à l'aide de haut-parleurs en opposition de phase situés sur le côté de la cellule, de manière à créer un forçage homogène. Le rivelet se comporte comme une membrane unidimensionnelle et se déplace transversalement, la situation d'écoulement rectiligne vertical de section constante devenant instable. Le filet adopte alors une trajectoire sinueuse où le fluide se concentre en gouttes épaisses reliées par des portions plus fines. Nous montrons que cette instabilité inédite est le résultat d'un couplage non linéaire entre la sinuosité de la trajectoire et les hétérogénéités de largeur du rivelet qui - à notre connaissance - n'a pas encore été décrit dans la littérature.
Alors que les modulations périodiques de la section du rivelet sont advectées à une vitesse déterminée, le motif sinueux formé par la ligne médiane du rivelet ne dérive que faiblement ou pas du tout. Ces propriétés de la déformation observée résultent de l'interaction avec le forçage acoustique, homogène en espace et oscillant en temps. L'instabilité est en particulier caractérisée par une longueur d'onde et une vitesse de dérive dépendant du débit et de la fréquence d'excitation que nous expliquons par la vérification d'une condition de résonance. Notons que cette auto-adaptativité du rivelet s'opère dans une large plage de fréquences de forçage, ce qui la distingue de la réponse de films de savons excités acoustiquement [2].
[1] A. Daerr, J. Eggers, L. Limat, and N. Valade (2011), General Mechanism for the Meandering Instability of Rivulets of Newtonian Fluids, Phys. Rev. Lett. 106 , 184501.
[2] A. Boudaoud, Y. Couder, and M. Ben Amar (1999) Self-Adaptation in Vibrating Soap Films, Phys. Rev. Lett. 82, 3847.
Orateur: Grégoire Le Lay (Laboratoire MSC - UMR 7057) -
220
Turbulent transitions in thermal convection
Thermal convection is a complex physical problem which involves phenomena at various length scales: thermal plumes arise from buoyancy instable boundary layers, and their interactions yield a large scale flow which itself shears the boundary layers and produces a turbulent bulk. A simple model system is the Rayleigh-Bénard cell which consists in a fluid layer between smooth plates, usually within Boussinesq conditions: the only fluid property which varies with temperature is density, and only at first order in the buoyancy term. The bottom plate is heated, the top plate is cooled. In this system, the two control parameters are the Rayleigh number and the Prandtl number. They allow to accurately predict the threshold of convection.
For higher thermal forcings, the boundary layers are expected to further destabilize, and the flow may become fully turbulent. The question of the threshold of this new fully turbulent regime, as well as the analysis of the obtained flow which is inhomogeneous and anisotropic, has been a hot problem for the last 20 years. In particular, laboratory experiments in Grenoble have evidenced a transition to a regime of higher heat-transfer which was interpreted as the transition to the fully turbulent regime, sometimes referred to as “the ultime regime” of convection. Other laboratory experiments do not evidence any such transition, in the same range of Rayleigh and Prandtl numbers.
New approach are possible to go beyond this apparent contradiction, by focusing on the characterization of the turbulent bulk in Rayleigh-Bénard cells: to that end, we use mostly visualization methods such as shadowgraph and Lagrangian tracking of tracer particles. We add roughness to the plate to promote boundary layer destabilization, and use several working fluids to explore the parameter range: deiozied water, fluorocarbon and low temperature liquid helium.Orateur: Julien SALORT (CNRS Laboratoire de physique) -
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Ultra-high frequency rheology of liquids at the micron scale
We employ optomechanical transduction techniques with silicon disk resonators to measure the rheological properties of liquids in the ultra-high frequency range. Backed by analytical and numerical models, our measurements give access to the liquid’s viscosity, density, and compressibility, measured locally within a micron scale volume. Thanks to careful approximations of Navier-Stokes equations permitted by the disk geometry, we notably derive closed-formed expressions for the mechanical frequency shift and quality factor of a disk immersed in liquid [1], transforming it into a calibrated rheometer. As this rheometer covers the frequency range from 200 MHz to 3 GHz, the measured fluid-structure interactions show pronounced compressibility effects in water, and confirm that this liquid remains Newtonian in this range. In contrast, 1-decanol (a monohydric alcohol) exhibits a non-Newtonian behavior, with a frequency-dependent viscosity associated with relaxation times that we reveal experimentally. Our work demonstrates the potential of immersed miniature disk resonators to probe the ultra-high frequency rheological properties of a liquid at the micron scale.
References
[1] H. Neshasteh, M. Ravaro, I. Favero, ”Fluid–structure model for disks vibrating at ultra-high frequency in a compressible viscous fluid”, To appear in Phys. Fluids, (2023).Orateur: Ivan FAVERO (CNRS, Université Paris Cité)
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REDP5 Enseigner la physique dans le supérieur Salle Yvette Cauchois
Salle Yvette Cauchois
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Approche par Problème (APP) pour enseigner la Physique du Solide
L’approche par problème (APP) est une pédagogie active, où l’apprentissage est basé sur la résolution collective d’un problème. L’objectif est de renforcer la motivation et de favoriser les apprentissages de notions difficiles. L’organisation d’un APP suit un séquençage précis pour favoriser l’implication et l’apprentissage de tous les étudiants : 1) Séance « Aller » en groupe pour découvrir le problème, 2) le « TRAP » (Séance TRAvail Personnel) où l’étudiant va essayer de résoudre le problème par lui-même en s’appuyant sur des ressources, et 3) Séance « Retour » où une solution est construite collectivement. L’ensemble de la démarche est guidé par l'enseignant qui joue un rôle de tuteur.
L’expérimentation présentée décrit la mise en œuvre d’une approche APP au sein de l’école d’ingénieur Polytech Grenoble qui fusionne deux cours théoriques : « Liaisons Chimiques » et « Physique du Solide ». En effet, ces 2 cours apportent une nouvelle vision de l’atome qui n’est plus celle d’un atome isolé, mais qui est en interaction avec les autres atomes, ce qui impose de changer totalement sa description. Pour lever les résistances à ce nouveau modèle des atomes en interaction, nous avons fait le choix de partir du système le plus simple à 2 atomes (molécule $H_2$) et d’augmenter progressivement le nombre d’atomes en interaction : 4 atomes (butadiène), 22 atomes de carbone (carotène), 40 millions d’atomes (polymère) et enfin $10^2$$^4$ atomes (solides). Cette démarche graduelle est possible ici grâce à la fusion de ces deux cours. Cette nouvelle approche épistémologique a l’avantage d’améliorer la compréhension de ces deux matières et permet de faire du lien entre elles, puisque les mêmes équations sont résolues à des échelles différentes. Après trois ans d’expérimentation, nous avons identifié des solutions pratiques qui ont permis d’améliorer concrètement le dispositif APP, comme le compte-rendu sur tableaux, l’intégration du travail personnel dans les séances, la mise en place d’une séance de clôture avec synthèse du cours et temps d’exercisation ciblé. Ces choix pédagogiques ont été appréciés des étudiants avec plus de 85% d’entre eux qui évaluent positivement le nouveau dispositif pédagogique. En comparaison avec une approche standard du type cours/TD, nous avons observé en APP une amélioration des résultats à l’examen terminal (+0,9 sur la moyenne), une diminution de moitié du nombre d’étudiants ayant une note inférieure à 10/20 et une augmentation significative d’étudiants ayant des notes supérieures à 17/20. Ce dispositif APP a été étendu au cours de « Semiconducteurs » pour proposer un dispositif complet sur l’ensemble d’un semestre à raison d’une demi-journée d’APP/semaine qui permet de montrer que la physique quantique permet aussi bien d’expliquer la formation des molécules que le fonctionnement des transistors.Orateur: Christophe Durand (Université Grenoble Alpes) -
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Travaux pratiques d’augmentation d’instruments anciens de physique
Nous avons mis en place un projet de travaux pratiques portant sur la restauration et l'augmentation d'instruments de physique anciens provenant de la collection du patrimoine de l'Université Claude Bernard Lyon 1 (UCLB). Cette collection est composée d'environ 200 objets de physique du 19ème siècle au milieu du 20ème siècle. Le projet a été initié en 2018 par les auteurs, tous deux en charge de la collection d'instruments de physique anciens de l'UCBL. Le cours est soutenu par la Société Française de Physique (SFP), l'Association pour la conservation et l'étude des instruments scientifiques et techniques de l'enseignement (ASEISTE), ainsi que par la Société des Amis d'André-Marie Ampère (SAAMA). Ces sociétés fournissent des ressources et des compétences supplémentaires en cas de besoin. Les TP intégre également une collaboration avec le "Musée Ampère", un musée des sciences à Lyon sur l'histoire de l'électricité, géré par la SAAMA.
Les étudiants travaillent en binôme sur chaque instrument. Dans certains cas, ils ont dû démonter complètement les instruments et les nettoyer soigneusement ou traiter les surfaces. Les pièces manquantes ou cassées ont été soit achetées pour être remplacées, soit fabriquées dans les ateliers de l'université, en veillant toujours au respect du patrimoine. Les étudiants réalisent un dossier détaillé décrivant les instruments (matériaux, dimensions) et comprenant des informations sur l'histoire et le fonctionnement de l'instrument. Pour ce faire, ils ont étudié l'instrument lui-même et ont consulté des ressources en ligne et en bibliothèque. Une partie importante du projet consistait à faire fonctionner l'instrument et à caractériser, dans la mesure du possible, sa précision ou sa plage dynamique.
Après quelques séances de TP, nous avons fourni aux étudiants un studio d'enregistrement portable simple comprenant des spots d'éclairage, des arrière-plans, un stabilisateur et des microphones. Ils ont été chargés de produire au moins deux vidéos : la première présentant l'instrument et son fonctionnement, et la seconde décrivant les principes physiques de l'appareil. Le travail des étudiants a été évalué en tenant compte à la fois de leur investissement et de la qualité de leurs productions.
Ce projet de travaux pratiques est une expérience immersive et éducative pour les étudiants, qui leur permet de restaurer des instruments de physique anciens et de découvrir leur histoire et leur fonctionnement. Il offre également une opportunité pour les étudiants de développer des compétences en communication scientifique
Orateur: Alfonso SAN MIGUEL (Insitut Lumière Matière, Université Lyon 1 et CNRS) -
224
La modélisation comme fil conducteur de Travaux pratiques en mode hybride
Cette innovation pédagogique présente un aménagement en mode hybride d'une séquence de travaux pratiques (TP) de mécanique du point matériel en L1, qui pose la modélisation comme fil conducteur des TP.
Les objectifs scientifiques classiques de ce type de TP (illustrer une loi de conservation, estimer la valeur d’une grandeur) sont en général impossibles à atteindre dans les conditions de ces TP. Ils sont détournés ici vers des objectifs transversaux, plus pertinents quant aux données collectées par les étudiants. Il s’agit d’identifier et analyser les problèmes qui se présentent, de les résoudre lorsque c’est possible. Il devient alors indispensable d’identifier les comportements que l'on attend de ces données, donc de produire des modèles et de calculer des incertitudes, pour pouvoir ensuite confronter données et modèle de manière critique et argumentée. Cela demande de discerner ce qui relève de l’expérimental et ce qui relève du modèle, de prendre conscience des sources possibles d’écarts au modèle en mettant en relation les hypothèses du modèle (en général implicites) avec les conditions de réalisation expérimentale.
Les étudiants travaillent directement en ligne sur une plateforme numérique pour produire un compte rendu pré-structuré par l’enseignant. La plateforme introduit une souplesse par l’accès permanent des étudiants et de l’enseignant aux comptes rendus. L’enseignant accompagne ainsi les étudiants tout au long de leur travail, avant, pendant et après la séance présentielle.
Un TP débute par un travail des étudiants en ligne, en amont de la séance de TP : (1) une partie théorique sert à construire les modèles qui seront utilisés pour une confrontation avec les données. Les étudiants apprennent à tracer et explorer leurs modèles afin de préciser et visualiser le comportement attendu des données, avant même de regarder leurs données ; (2) la construction d’un formulaire permet de préciser et formaliser en amont, les traitements à appliquer aux données et le calcul des incertitudes associées.
Lors de la séance, l’enseignant commence par un retour approfondi et personnalisé sur ce travail préparatoire. Cela amène les étudiants à revenir sur leurs productions (modèles, traitements, incertitudes). Un processus d’amélioration continue des productions, basé sur une évaluation formative, est ainsi mis en place et permet de faire évoluer le contrat didactique. L’enseignant accompagne ensuite les étudiants sur le traitement et l’analyse des données, représentation graphique et modélisation comprises (la plateforme porte et facilite la représentation graphique et l’adaptation de modèles). Les étudiants apprennent à adapter manuellement un modèle à des données, à le valider ou non en regard des incertitudes, à proposer des adaptations ou des corrections. Modèles et incertitudes prennent sens, le regard sur données et modèles se précise, devient critique : la production de LA réponse à ce que l’énoncé paraît attendre, est abandonnée.Orateur: Claire Wajeman (Université Grenoble Alpes) -
225
Enseigner une démarche expérimentale : une étude de cas en école d’ingénieur
Des enseignants d’une école d’ingénieurs font de l’acquisition d’une démarche expérimentale, un objectif d’apprentissage central pour tous les TP de physique de L3.
Ils ont construit sur la plateforme LabNbook (labnbook.fr) des patrons (templates) des comptes rendus de TP, supports de l’activité expérimentale (protocoles, traitements, graphiques, modélisation, analyse, etc.). Les étudiants produisent leurs rapports à partir des patrons, à distance (préparation du TP) et en séance. Par une analyse thématique d’entretiens avec les enseignants et l’analyse des patrons de comptes rendus, nous dégageons les objectifs d’apprentissage visés et la démarche préconisée par les enseignants. Nous identifions et catégorisons les guidages mis en place sur la plateforme pour accompagner le travail des étudiants (de Jong et Lazonder, 2014).
Les enseignants agissent de manière cohérente quant aux connaissances et compétences qu’ils souhaitent faire acquérir à leurs étudiants. L’acquisition d’une démarche expérimentale vise l’apprentissage d’une pratique scientifique et professionnelle ainsi que le dépassement de difficultés identifiées chez leurs étudiants. Suivre de manière systématique une démarche globale et structurée doit permettre aux étudiants d’accéder à une vision globale de l’expérience à réaliser, d’en identifier les objectifs, d’avoir le temps d’aller au bout du travail demandé de manière approfondie. La démarche doit devenir un outil scientifique pérenne. Il s’agit aussi de maîtriser des étapes mal connues des étudiants (proposer des hypothèses, établir un mode opératoire, confronter les résultats aux hypothèses). La démarche imposée est dynamique, non linéaire et exige une anticipation sur les expériences, les résultats attendus, les traitements de données. Cette démarche paraît de nature parascientifique (Chevallard, 1985) procédant d’une connaissance pratique, ancrée dans le métier de chercheurs des enseignants.
Pour guider leurs étudiants, ces enseignants mettent en œuvre un dispositif de guidage élaboré, prenant en compte le temps de l’apprentissage et le transfert de responsabilité des tâches aux étudiants. Il est porté en partie par la plateforme, en partie par les enseignants en séance. Le fort guidage initial (exemplifiant ce qui est attendu) est progressivement allégé pour une dévolution graduelle de la tâche aux étudiants (processus de fading, Collins et al., 1989).
Les enseignants structurent la démarche par quatre documents de type différent, matérialisant chacun une étape donnée. Pour cela ils se sont appropriés les deux outils scientifiques de la plateforme et ont attribué aux deux outils non-scientifiques une fonction spécifique dans la démarche à enseigner. Ils se sont ainsi instrumentés au sens de la genèse instrumentale (Béguin et Rabardel, 2000) : leur activité est influencée par la plateforme et ils ont ajusté les outils à leur main.Orateur: Claire Wajeman (Université Grenoble Alpes) -
226
HOBIT – un dispositif hybride optique/numérique pour la transformation des pratiques pédagogiques
L’optique est une discipline emblématique de la physique permettant de visualiser des phénomènes associés à des concepts physiques, des descriptions mathématiques et des représentations qui constituent souvent un frein dans les apprentissages. C’est le cas par exemple de la notion d’interférences, ou encore de la polarisation de la lumière.
HOBIT est un dispositif hybride qui permet de réaliser des montages optiques tout en bénéficiant des avantages d’un simulateur et d’aides pédagogiques au cours des manipulations [1]. Le modèle numérique exploité par HOBIT est auto-adaptatif, si bien que les paramètres physiques qui décrivent le faisceau lumineux sont modifiés à chaque interaction avec un nouveau composant optique. Des aides pédagogiques permettent d’accéder à des informations inaccessibles à l’aide d’un dispositif optique classique et de transformer les pratiques pédagogiques. Ainsi, HOBIT dispose notamment d’un détecteur qui n’existe pas dans le monde réel et qui permet d’obtenir l’état de polarisation de la lumière à l’endroit où on le place sur le montage. Il permet aussi de visualiser l’angle de blaze d’un réseau de diffraction à l’échelle microscopique et d’observer en temps réel l’effet de ce paramètre sur le faisceau diffracté.
Nous présenterons différentes stratégies d’utilisation du dispositif HOBIT, partant de démonstrations effectuées par l’enseignant jusqu’à son exploitation par les étudiants en séances de travaux pratiques en amont et en aval d’un travail sur des montages optiques classiques.
Dans un second temps, nous présenterons la version de HOBIT dédiée à un usage à distance. Il s’agit d’un logiciel qui offre des sessions de « jeu » à un ou plusieurs joueurs en même temps. Ce nouvel outil pédagogique permet d’étendre l’accès à HOBIT au-delà des séances de travaux pratiques dédiées. Il permet à l’étudiant de s’exercer mais aussi de s’autoévaluer. Il permet également à l’enseignant d’envisager de nouvelles modalités de progression et de vérification des acquis.[1] https://project.inria.fr/hobit/
Orateur: M. Vincent Casamayou (INRIA Bordeaux)
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16:00
Pause - Café Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Session sociétale 3: La physique du primaire au supérieur : enjeux et réformes Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Président de session: Estelle Blanquet (Université de Bordeaux)-
227
Le plan sciencesOrateur: Anne Szymczak (Inspectrice générale de l’éducation, du sport et de la recherche, pilote mission enseignement primaire)
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228
Les nouveaux programmes cycle 3 en sciencesOrateur: François Vandenbrouck (Inspecteur général de l’éducation, du sport et de la recherche)
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La réforme de l’enseignement scientifiqueOrateur: Dominique Obert (Inspecteur général de l’éducation, du sport et de la recherche)
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230
La perception des réformes du lycée par les enseignants de physique-chimieOrateur: Marie-Thérèse Lehoucq (présidente de l’Union des Professeurs de Physique-Chimie (UdPPC))
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La réforme des DUTOrateur: Fabienne Goldfarb (Université Paris-Saclay)
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La réforme de la formation des enseignants premier degré et le QCM de la SFPOrateur: Estelle Blanquet (Université de Bordeaux)
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Vue d’ensemble des enjeux, et le nouveau rapport de l’inspection générale sur la formation à la démarche scientifique en FranceOrateur: Aristide Cavaillès (Inspecteur général de l’éducation, du sport et de la recherche)
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Table ronde
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Session sociétale 4: La physique dans le monde industriel et économique Salle Louis Armand Est
Salle Louis Armand Est
Président de session: Catherine Langlais-
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La physique dans le monde industriel et économiqueOrateurs: Etienne HUGUET (L'Oréal), Marie-Laure MAUBORGNE (SLB), Philippe QUINIO (ST Microelectronics), Pierre CARMIER (CFM)
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Session Poster 2: MC1, MC4, MC8, MC10, MC12, MC14, MC20, MC21, MC23, MC24, MC25, REDP Foyer S-1
Foyer S-1
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08:00
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08:00
Accueil - Inscriptions Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Mini-colloques: MC08 Dernières avancées dans le domaine des technologies quantiques: 3 Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
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Magnetism and spin squeezing with arrays of Rydberg atoms
This talk will present our recent work on the use of arrays of Rydberg atoms to study quantum magnetism and to generate entangled states useful for quantum metrology. We rely on laser-cooled ensembles of up to hundred individual atoms trapped in microscopic optical tweezer arrays. By exciting the atoms into Rydberg states, we make them interact by the resonant dipole interaction. The system thus implements the XY spin ½ model, which exhibits various magnetic orders depending on the ferromagnetic or antiferromagnetic nature of the interaction. In particular, we adiabatically prepare long-range ferromagnetic order, and we probe the dispersion relation of the system. When the system is placed out of equilibrium, the interactions generate spin squeezing. We characterize the degree of squeezing and observe that it scales with the number of atoms.
Orateur: antoine Browaeys (Institut d'Optique, CNRS) -
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Ten quectonewton local force sensor with atom interferometry
Atom interferometers are exquisite tools for force measurements such as gravity. However, state-of-the-art such sensors use free-falling atoms and hence cannot perform purely local force measurements. Instead, we use here optically trapped atoms to perform force sensing close to the surface of a mirror and probe with unprecedented sensitivity atom-surface interactions.
We start with a non-degenerate sample of ultracold Rb87 atoms, which we transport at the vicinity of a mirror with a moving optical lattice. We end up with a 3.5 µm wide atomic cloud at a tunable distance of the mirror, with a position stability of less than a micron.
We then trap them in a mixed optical trap, combining a blue detuned static lattice and a red detuned progressive wave. Inside this trap, we induce laser assisted tunnelling between Wannier-Stark states with Raman laser pulses. This allows us to create a Raman Ramsey interferometer sensitive to the external force applied onto the atoms and to perform force measurements at different distances of our mirror with a sensitivity of 5e-28 N at 1s and less than 1e-29 N on the long-term. We actually measure an attractive force, with a maximum strength of order of 1.4e-27 N, where the expected Casimir Polder force amounts in our conditions to 0.5e-27 N. This force in excess arises from stray electric fields produced by charges or adsorbed atoms. These parasitic forces can be precisely determined in our setup by applying controlled additional electric fields thanks to electrodes placed around the mirror. Ideally, they would be suppressed by eliminating the spurious charges and adsorbed atoms, for instance by using UV illumination or by heating the mirror.
The sensitivity of our sensor opens new perspectives for precise measurements of Casimir-Polder force and other atoms-surface interactions.Orateur: Yann Balland (SYRTE / Observatoire de Paris) -
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Métrologie quantique avec des horloges optiques
Les horloges à réseau optique sont des étalons de fréquence qui utilisent une transition optique de grand facteur de qualité dans un ensemble d'atomes froids dans un piège dipolaire. Elles offrent maintenant des incertitudes statistiques et systématiques proches de 10⁻¹⁸, avec des applications en physique fondamentale, en géodésie... À ce niveau de performances, le bruit quantique devient une limite fondamental pour la résolution de fréquence de l'horloge. Nous proposons de présenter des perspectives pour dépasser cette limite en utilisant des états quantiques intriqués. Pour cela, nous avons démontré des mesures QND en cavité sur une horloge à réseau optique strontium qui permettent l'observation de correlation quantiques entre mesures successives du nombre d'atomes dans l'état fondamental de la transition d'horloge.
Comme ces horloges surpassent de deux ordres de grandeur les étalons primaires de fréquence micro-onde au césium, une redéfinition de la seconde est attendue dans la prochaine décennie. Nous proposons de présenter les choix possibles pour cette redéfinition, et en particulier la possibilité de redéfinir la seconde non pas à partir d'une seule espèce atomiques, mais à partir d'un ensemble de transitions.
Orateur: Jérôme Lodewyck (LNE-SYRTE Observatoire de Paris) -
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Observation of Universal Hall Response in Strongly Interacting Fermions
The Hall effect, which originates from the motion of charged particles in a magnetic field, has deep consequences for the description and characterization of materials, extending far beyond the original context of condensed matter physics. Although the Hall effect for non-interacting particles is well explained, understanding it in interacting systems still represents a fundamental challenge even in the small-field case. Here [1] we directly observe the build-up of the Hall response in an interacting quantum system by exploiting controllable quench dynamics in an atomic quantum simulator. By tracking the motion of ultracold fermions in a two-leg ribbon threaded by an artificial magnetic field, we measure the Hall response as a function of synthetic tunnelling and atomic interactions. We unveil an interaction-independent universal behaviour above an interaction threshold, in clear agreement with theoretical analyses [2-3]. Our approach and findings open new directions for the quantum simulation of strongly correlated topological states of matter.
[1] To appear in Science, arXiv:2205.13567
[2] Universal Hall Response in Interacting Quantum Systems, S.
Greschner, M. Filippone and T. Giamarchi, Phys. Rev. Lett. 122, 083402 (2019).
[3] Vanishing Hall Response of Charged Fermions in a Transverse Magnetic Field, M. Filippone, C.-E. Bardyn. S. Greschner, T. Giamarchi, Phys. Rev. Lett. 123, 086803 (2019).Orateur: Michele Filippone (CEA Grenoble) -
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Measurements of Quantum correlations, and characterization of quantum thermalization, in a dipolar interacting spin system
We experimentally study quantum magnetism using interacting spin systems made of lattice trapped magnetic atoms. The dipolar interactions between spins frozen on lattice sites gives rise to a beyond mean field spin dynamics, after excitation in an out of equilibrium initial state. This dynamic leads to a steady state compatible with the ETH scenario of quantum thermalization, in which the isolated spin system evolves towards a thermal-like state, due to the growth of quantum correlations hence of entanglement, while keeping its energy constant [1].
Experimental detection of the growth of quantum correlations in our spin system is obtained from collective measurements, by tracking the evolution of the norm of the collective spin [2], and by direct measurements of the two-body correlator associated with magnetization [3]. This latter work has required measuring spin fluctuations at the level of the standard quantum noise, which is very challenging for large ensemble of large spin atoms.
Besides, we have implemented an experimental bipartition technique, yielding two spin subfamilies, which is well adapted for revealing bipartite correlations as it relies on next neighbor separation inside the lattice. Our results show a complex structure of correlations, with positive intra-families and negative inter-families correlations. We attribute such structure to the anisotropic nature of our system.
Our experiment thus provides a platform for quantum simulations well adapted for studying the subtle process of quantum thermalization of mesoscopic spin systems.[3] Measuring Correlations from the Collective Spin Fluctuations of a Large Ensemble of Lattice-Trapped Dipolar Spin-3 Atoms
Youssef Aziz Alaoui, Bihui Zhu, Sean Robert Muleady, William Dubosclard, Tommaso Roscilde, Ana Maria Rey, Bruno Laburthe-Tolra, and Laurent Vernac
Phys. Rev. Lett. 129, 023401 (2022)[2] Relaxation of the collective magnetization of a dense 3D array of interacting dipolar S=3 atoms
Lucas Gabardos, Bihui Zhu, Steven Lepoutre, Ana Maria Rey, Bruno Laburthe-Tolra and Laurent Vernac
Phys. Rev. Lett. 125, 143401 (2020)[1] Out-of-equilibrium quantum magnetism and thermalization in a spin-3 many-body dipolar lattice system
S. Lepoutre, J. Schachenmayer, L. Gabardos, B. Zhu, B. Naylor, E. Maréchal, O. Gorceix, A. M. Rey, L. Vernac and B. Laburthe-Tolra
Nature Communications 10, 1714 (2019)Orateur: Laurent VERNAC (Laboratoire de Physique des Lasers)
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Mini-colloques: MC10 Physique et intelligence artificielle: 2 Salle Claudine Hermann
Salle Claudine Hermann
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Accélération des simulations d’oscillateurs spintroniques à l’aide d’une approche non-conventionnelle guidée par les données
Le calcul neuromorphique est un champ récent de l’intelligence artificielle visant à diminuer la consommation énergétique des tâches cognitives résolues en s’inspirant de l’architecture du cerveau humain. Dans ce contexte, les nano-oscillateurs à transfert de spin ont récemment fait l’objet d’une grande attention, notamment en raison de leur utilisation potentielle en tant que neurones matériels au sein de réseaux de neurones artificiels [1]. À cet égard, des simulations micromagnétiques ou des modèles analytiques sont généralement utilisés pour les étudier théoriquement. Cependant, aucune de ces méthodes n’est à la fois rapide et précise, ce qui limite leur pertinence pour des études théoriques de grande ampleur, notamment le calcul neuromorphique.
Ici, un modèle analytique a été développé sur base de l’équation de Thiele [2]. Une bonne concordance est obtenue en régime résonant. Cependant, le modèle purement théorique reste uniquement qualitatif pour les oscillations en régime permanent. En outre, il n’est pas possible de trouver des expressions mathématiques appropriées pour décrire la dynamique de ces oscillateurs [3].
Pour surmonter cette limitation, une approche guidée par les données a été développée [4] sur base de notre modèle analytique mis à jour [2]. En effet, en utilisant un nombre limité de simulations, nous avons pu rendre notre modèle quantitatif en ajustant certains des termes qui le composent. Comme les divergences avec le micromagnétisme sont dès lors absorbées, notre modèle semi-analytique est capable de prédire le régime d’oscillations entretenues avec la même précision que les simulations. En outre, le régime transitoire est également calculé fidèlement, ce qui permet de résoudre la plage entière de dynamique des oscillateurs.
Cette nouvelle méthode est plus de deux milliards de fois plus rapide que les simulations micromagnétiques, pour une précision équivalente. Ce facteur d’accélération a ouvert la voie à des campagnes de simulations de grande ampleur, dans le cadre de la spintronique neuromorphique. Comme preuve de concept, des tâches cognitives complexes (e.g. reconnaissance d’images et de sons) ont été résolues dans le cadre du calcul « par réservoir », avec des résultats surpassant l’état de l’art du domaine [5].
[1] J. Torrejon, M. Riou, F. Abreu Araujo, et al., Nature 547 (2017) 7664.
[2] F. Abreu Araujo, C. Chopin, and S. de Wergifosse, Sci. Rep. 12 (2022) 10605.
[3] S. de Wergifosse, C. Chopin, and F. Abreu Araujo, arXiv preprint (2022) 2206.13438.
[4] F. Abreu Araujo, C. Chopin, and S. de Wergifosse, arXiv preprint (2022) 2206.13596.
[5] A. Moureaux, S. de Wergifosse, C. Chopin, Jimmy Weber, and F. Abreu Araujo, arXiv preprint (2023) 2301.11025.Orateur: Simon de Wergifosse (UCLouvain) -
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Efficient estimation of trainability for variational quantum circuits
Variational quantum algorithms are emerging as promising tools to tackle complex problems ranging from quantum chemistry to combinatorial optimization. These algorithms optimize the continuous parameters of a variational quantum circuit as to extremize a cost function encoding the task at hand. The optimization is achieved through gradient descent methods. Such models can suffer from the well-known curse of barren plateaus, which is characterized by an exponential vanishing of the cost function gradient with the system size, making training unfeasible for practical applications.
In this talk we will present an efficient method allowing to certify the trainability of a given ansatz 1. This method is scalable and open the path to the development of tailored AI tools to discover and optimize the architecture of variational quantum circuits for applications on near-term devices. We discuss a promissing example that makes use of the recent groundbreaking advances in the field of reinforcement learning.
1 Valentin Heyraud, Zejian Li, Kaelan Donatella, Alexandre Le Boité and Cristiano Ciuti, Efficient estimation of trainability for variational quantum circuits arXiv:2302.04649
Orateur: Valentin Heyraud (Université Paris Cité, CNRS, Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ)) -
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ChatGPT, a brilliant but messy intern or: how can ChatGPT be used seriously in a physicist's daily work?
ChatGPT, a Large Language Model based chatbot with astonishing capabilities, has become very popular on social networks in particular. But beyond amazing success and dismal failure anecdotes, to what extent can ChatGPT (or Bing) be used realistically in the physicist's daily life?
The experiments of twenty particle physicists have been collected as user stories. They are summarised in this talk which will assess what can or cannot be expected from these tools and their relative merit.
Whether distilling textbook knowledge or cutting-edge science as we do it, whether summarizing papers or writing project abstracts, whether discussing physics, whether writing a complete paper or just its fine-grained structure, whether writing code snippets or helping understand arcane code in an unknown language.
Examples will be given with fully reproducible prompts when possible.
The answer to the leading question is "definitely yes", but with a clear understanding of the limitations of these tools and how they could evolve.(ChatGPT did not write this abstract)
Orateur: M. David Rousseau (IJCLab, Orsay, France) -
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Trajectographie par apprentissage géométrique profond pour faire face au déluge de données attendu au CERN
Le boson de Higgs a été découvert auprès du collisionneur LHC au CERN en 2012. Afin de mieux comprendre les propriétés du boson de Higgs et l’origine ultime de la matière les chercheurs ont maintenant besoin de beaucoup plus de données. La phase dite de haute luminosité (HiLumi-LHC) va démarrer en 2029 et doit permettre de multiplier par 10 le taux de production de bosons de Higgs afin d’étudier en détail les propriétés de ce boson et de donner une première mesure de la forme du potentiel de Higgs (de la forme du fameux « chapeau mexicain »). Malheureusement les algorithmes actuels pour la reconstruction des particules à partir des signaux dans les détecteurs ne seront pas en capacité de faire face à la complexité et aux taux des données enregistrées. De nouvelles méthodes incluant l’utilisation de techniques basées sur l’intelligence artificielle sont explorées par la collaboration ATLAS [1]. Nous exposerons les travaux menées par l'équipe du Laboratoire des 2 Infinis à Toulouse en collaboration étroite avec des chercheurs de Berkley (Etats-Unis) et de l’Illinois (Etats-Unis) [2-4] pour le développement d’un algorithme basé sur l’apprentissage géométrique profond (Geometric Deep Learning) et plus précisément les Réseaux de Neurones sur Graphes (Graph Neural Network) qui pourrait résoudre le problème du traitement de données au cœur du détecteur ATLAS (ITk , le futur détecteur interne d’ATLAS pour le traçage des particules chargées qui doit être installée à partir de 2026).
[1] https://atlas.cern/
[2] https://doi.org/10.1051/epjconf/202125103047
[3] https://cds.cern.ch/record/2815578?ln=en
[4] https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PLOTS/IDTR-2022-01/Orateur: Sylvain CAILLOU (L2I Toulouse, CNRS/IN2P3, UT3) -
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Deep learning for sparse spectral ptychographic x-ray computed tomography
X-ray nanotomography is a well-established technique with many applications in material science and biology. The spatial resolution of classical CT can be enhanced when using ptychographic projections [1] measured at different angles to reconstruct a 3D volume.
X-ray Ptychography [2][3] is a coherent diffraction imaging technique based on the acquisition of multiple diffraction patterns obtained through the illumination of the sample at different partially overlapping probe positions. Information about the sample’s transmittivity is obtained by an iterative reconstruction, yielding the imaginary and real part of the complex refractive index, δ and 𝛽. Repeating the tomographic acquisitions at different energies allows to add spectral capabilities, and gain information about the localization of a chosen element of interest. The invaluable advantage of this technique is its high spatial resolution in the range of some tens of nanometers for large sample volumes. However, the acquisition of ptychographic tomogram can take half a day or more, depending on the size of the sample, the number of projections and the exposure time. Reducing the number of projections and/or the exposure time would reduce the acquisition time, but these solutions will directly affect the resolution and the reconstructed tomogram will be noisy. This problem can be overcome with help of deep learning. Recently, a Generative Adversarial Network (GAN) [4] [5] called TomoGAN [6][7] was proposed to improve the quality of images obtained by high-resolution tomography. TomoGAN model can be trained with limited data, performs well with high-resolution datasets, generates greatly improved reconstructions of low-dose and noisy data, and is very resilient to overfitting. Previous works demonstrated that the number of projections required can be reduced by a factor of at least 8 while keeping high quality of the reconstructed images. We will show here, how this technique can be applied to the case of spectral tomography, as an example, we will take 2 tomograms of the same sample recorded at two different energies, taking advantage of the similarity of the tomograms. By training the networks on one complete high-resolution tomographic dataset at a given energy, we are capable to retrieve images from tomographic dataset at another energy with much fewer projections than what would be necessary for the retrieved good-quality images using standard algorithms.Keywords: ptychography, tomography, spectral, sparse, deep learning
References
[1] Dierolf, M. et al. Nature 467, 436–439 (2010)
[2] Pfeiffer, F. Nature Photon 12, 9–17 (2018)
[3] da Silva, J. C. et al. Opt. Express 23, 33812 (2015)
[4] Isola, P. et al. (2016)
[5] Bengio, Y. et al. (2013)
[6] Liu, Z. et al. in 2019 IEEE/ACM Third Workshop on Deep Learning on Supercomputers (DLS) 20–28 (IEEE, 2019)
[7] Liu, Z. et al. J. Opt. Soc. Am. A 37, 422 (2020)Orateur: M. Redhouane BOUDJEHEM (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Institut Néel, Grenoble, France) -
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Reconstruction of electromagnetic showers in calorimeters using Deep Learning
Machine Learning (ML) algorithms are currently a leading choice for Data Analysis applications in various fields: from industry to science and medicine. Following the general trend, different ML methods (Boosted Decision Trees, Neural Networks) have already been successfully used for data reconstruction and analysis in the CMS experiment. More sophisticated algorithms are becoming available, which may bring advantages to the reconstruction techniques using more and more low-level information.
In this poster, I will describe the application of the state-of-the-art neural network architecture for data reconstruction in the electromagnetic calorimeter (ECAL) of CMS. While traversing the ECAL, electrons and photons will leave energy deposits in the crystals of the calorimeter. These deposits have to be combined together to form a cluster, from which the energy and impact position of the initial particle can be reconstructed. Currently, a traditional algorithm (based on Gaussian-mixture model) is used for this task.
We are developing a new model based on the convolutional neural network and graph neural network for the reconstruction in ECAL. The network results show significant improvement both in energy and coordinate resolution for photons in comparison with the traditional algorithm. Moreover, one of the main advantages of the network is the ability to distinguish between multiple close-by clusters. This plays a crucial role in discriminating between high-energy pions (pi0-> gg, creating two overlapping clusters in the ECAL) and standalone photons.
Orateur: Polina Simkina
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Mini-colloques: MC12 Le mélange de saveurs en physique de particules : la recette pour des nouvelles découvertes ?: 2 Salle Cécile DeWitt-Morette
Salle Cécile DeWitt-Morette
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Rare & BSM decays at LHCb, and prospectives
The Large Hadron Collider beauty (LHCb) experiment has been designed to study the properties of particles containing beauty quarks. The rare and beyond Standard Model (BSM) decays of these particles provide a unique window to search for new physics beyond the Standard Model. In this talk, we review recent results on rare and BSM decays at LHCb. We discuss the observation of several rare decay modes, which have been measured with high precision, allowing for sensitive tests of the Standard Model. We also highlight recent results on searches for lepton flavour violating patterns in B decays. Furthermore, we present the prospects for rare and BSM decays at LHCb in the coming years. The detector has just undergone a major upgrade, which will allow for a wider variety of rare decay measurements to be performed with unprecedented precision. We discuss the potential of LHCb to probe new physics models through rare & BSM decays in the current and the planned future upgrade. models through rare & BSM decays in the current and the planned future upgrade.
Orateur: Christina Agapopoulou (LPNHE - Paris) -
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Rare and BSM decays at Belle II, and prospects
The Belle II detector, located at the SuperKEKB accelerator, is designed for direct and indirect searches of New Physics beyond the Standard Model via precision measurements of $e^+e^-$ collisions. Belle II has already recorded half of the data collected by its predecessor, aiming at collecting $50\, \text{ab}^{-1}$ of integrated luminosity at the end of operations,
and reached a world-record instantaneous luminosity of $4.7 \cdot 10^{34} \text{cm}^{−2}\text{s}^{−1}$ in June 2022. Belle II expects to explore flavor physics with $B$ mesons with unprecedented precision, and has already produced multiple world-leading results in this area. In this contribution we present the latest results and future prospects in the study of rare and beyond the Standard Model decays at Belle II.Orateur: Jacopo CERASOLI (Université de Strasbourg, CNRS, IPHC, UMR 7178, 67037 Strasbourg, France) -
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Masses et nature des neutrinos
L’origine des masses des neutrinos est l'un des grands mystères de la physique des particules, qui est indissociable de celui de leur nature (fermions de Dirac ou de Majorana) et pourrait être lié à la question de la prévalence de la matière sur l’antimatière dans l’Univers. Dans cet exposé, je ferai le point sur nos connaissances sur les masses des neutrinos, sur les mécanismes susceptibles de les engendrer et sur les possibilités de tester ces derniers. Je discuterai ensuite les conséquences d’une éventuelle mise en évidence de la nature de fermion de Majorana des neutrinos, la plus notable étant la possibilité d’engendrer l’asymétrie matière-antimatière de l’Univers via le mécanisme de la leptogenèse.
Orateur: Stéphane LAVIGNAC (IPhT Saclay) -
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Neutrinoless Double Beta Decay : the creation of matter without antimatter partners
Neutrinoless Double Beta Decay is a hypothetical nuclear process in which two neutrons simultaneously decay into two protons plus two electrons and no antineutrino emission. If this decay were observed, it would point to new physics beyond the Standard Model of Particle Physics and it would allow us to establish the nature of neutrinos.
Today, the lower limits on the half-life of this process exceed 10^25-10^26 yr.
I will review the current status of the searches for Double Beta Decay and the perspectives to enhance the experimental sensitivity in the next years.Orateur: Claudia Nones (CEA/IRFU) -
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Heavy Flavors at LHC with ATLAS and CMS and at FCC
The ATLAS and CMS experiments have carried out a rich heavy flavor physics program since the start of the LHC data taking.
Topics discussed in this contribution include spectroscopy, rare decays of beauty hadrons and other decays highly sensitive to physics beyond the Standard Model. Searches in the lepton sector of flavor physics are also discussed.
Results obtained by the ATLAS and CMS Collaborations are shown. Hints on the flavor physics perspectives at FCC are also presented.Orateur: Chiara Rovelli (INFN Roma)
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Mini-colloques: MC13 Effets d’environnement et de solvatation sur les processus moléculaires: 2 Salle Louis Armand Est
Salle Louis Armand Est
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Photodissociation d'ions biomoléculaires nano hydratés : Relation Structure-Photophysique
Les études structurales et de réactivité d’ions biomoléculaires en phase gazeuse se sont développées grâce au couplage des techniques de spectrométrie de masse et de spectroscopie laser. Quand les ions sont piégés dans des trappes ioniques refroidies à température cryogénique, le système est alors figé dans une ou plusieurs structures données qui peuvent être déterminées par spectroscopie laser. La spectroscopie de double résonance IR/UV permet d’enregistrer le spectre IR de chaque conformation peuplée à basse température, ce qui simplifie l’attribution structurale par comparaison avec des calculs de chimie quantique de l’état fondamental. Les expériences de photodissociation UV et photodissociation pompe-sonde donnent accès aux processus dynamiques dans les états excités. Il est alors possible d’avoir une connaissance précise de la photophysique des systèmes en fonction de la conformation et de l’énergie en excès dans les états excités. Nous avons étudié la désexcitation électronique d’acides aminés aromatiques protonés (Tryptophane, Tyrosine, Phénylalanine) ainsi que des neurotransmetteurs (dopamine, adrénaline) qui met en jeu un transfert de proton à l’état excité entre le groupement protoné et le cycle aromatique.[1] Dernièrement, nous avons mis en évidence les effets drastiques de quelques molécules d’eau sur la photo réactivité de ces molécules, avec notamment des processus différent suivant la conformation ou l’excès d’énergie dans les complexes TrpH+-(H2O)n et DopamineH+-(H2O)n.[2,3]
[1] S. Soorkia et al. Chem. Rev. 120, 3296 (2020) DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00316
[2] K. Hirata et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 24, 10737 (2022) DOI: 10.1039/d2cp00543c
[3] F. Molina et al. ChemPhysChem 24 (2023) DOI: 10.1002/cphc.202200561Orateur: Gilles GREGOIRE (Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay) -
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Etude théorique et expérimentale du rôle de quelques molécules d'eau sur la réactivité de molécules prébiotiques.
Depuis plusieurs années, nous cherchons à comprendre et rationaliser les différents processus de micro-hydratation de petites molécules organiques.[1,2] Ainsi, dans la littérature, le concept de "séquestration de molécules d'eau" a été introduit pour décrire la propension de certains solutés à interagir avec de petits clusters d'eau, et nos études ont permis de rationaliser ce concept en montrant que cela était lié à la disponibilité ou non de sites plus électrophiles ou plus nucléophiles que l'eau sur le soluté.[2,3]
La compréhension du rôle que peut jouer une micro-hydratation sur la réactivité reste un défi majeur notamment pour pouvoir améliorer notre compréhension de la chimie atmosphérique et interstellaire.Avec une double approche théorique et expérimentale, nous montrerons comment la présence de quelques molécules d'eau modifie la réaction de formation d'une liaison de type peptidique entre l'acide acétique et la méthylamine.[3,4]
Les expériences sur des agrégats formés dans un jet moléculaire et sélectionnés en masse, ont été réalisées avec le montage CERISES sur la ligne DESIRS du synchrotron SOLEIL. Ce montage nous a permis de sélectionner les ions d'intérêt en masse, et de réaliser une étude de réactivité ion-molécule. Les résultats montrent que la formation de complexes non covalents est favorisée dans les agrégats, au détriment de la formation d'une liaison covalente.
Nos études théoriques, réalisées en DFT avec un traitement explicite des molécules d'eau, et basées sur la théorie quantique de l'atome dans la molécule (QTAIM) suggèrent que cela serait le résultat de la délocalisation électronique dans les agrégats.Cette analyse théorique de la réactivité a été menée à la fois sur les complexes neutres et ionisés.
[1] : Zins. Microhydration of a carbonyl group: how does the molecular electrostatic potential (MESP) impact the formation of (H2O)n:(R2C=O) complexes? J. Phys. Chem. A (2020), 124, 1720.
[2] : Kalai et al. A theoretical investigation of water–solute interactions: from facial parallel to guest–host structures. Theor.Chem.Acc. (2017), 136, 1.
[3] : Derbali et al. On the relevance of the electron density analysis for the study of micro-hydration and its impact on the formation of a peptide-like bond. Theor.Chem.Acc. (2022), 141, 34.
[4] : Derbali et al. Study of the Reactivity of CH3COOH+• and COOH+ Ions with CH3NH2: Evidence of the Formation of New Peptide-like C(O)–N Bonds. J. Phys. Chem. A . (2021), 125, 10006.Orateur: Emilie-Laure Zins (Sorbonne Université) -
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Dichroïsme Circulaire de Photoélectron (PECD) spécifique en conformère à deux photons du 1-indanol
Dans le cadre de la reconnaissance moléculaire entre molécules chirales, qui joue un rôle par exemple dans l’activité de médicaments chiraux, il est important de prendre en compte la structure des molécules, à la fois par leur configuration absolue mais aussi leur conformation. Le dichroïsme circulaire de photoélectron (PECD) est l’asymétrie avant/arrière dans la distribution angulaire des électrons émis par la photoionisation d’une molécule chirale à l’aide d’une lumière polarisée circulairement $^1$, étudié historiquement à l’aide du rayonnement synchrotron (SR). Le PECD est une sonde très sensible à la structure moléculaire $^{2,~ 3,~ 4}$. Bien qu’il soit possible d’utiliser des moyens détournés pour discriminer en conformère lors d’expériences utilisant le SR $^2$, l’utilisation d’un laser ns et d’un schéma énergétique à deux photons passant par un état résonnant (RE2PI) permet la sélection des conformères grâce à cet état électronique excité.
Nous avons, pour la première fois, enregistrés des spectres de PECD sélectifs en conformère, pour la molécule d’1-indanol. Cette molécule, bien connue par notre groupe $^{2 ,~ 5,~ 6,~ 7}$, présente deux conformères majoritaires. Selon un mouvement d’inversion de cycle, le groupement -OH peut ainsi se trouver en position pseudo-axiale ou pseudo-équatoriale $^5$. Ces premiers résultats ouvrent la voie au développement du PECD en tant qu’outil analytique, utilisant des sources de lumière plus accessibles que le SR, tout en offrant des informations complémentaires, en particulier sur le paysage conformationnel d’une molécule.- I. Powis, J. Chem. Phys. (2000), 112, 1
- J. Dupont, V. Lepère, A. Zehnacker, S. Hartweg, G. A. Garcia, L. Nahon, J. Phys. Chem. Lett. (2022), 13, 2313-2320
- R. Hadidi, D. K. Božanić, H. Ganjitabar, G. A. Garcia, I. Powis, L. Nahon, Commun. Chem. (2021) 4, 72
- S. Turchini, J. Phys. : Condens. Matter (2017), 29, 503001
- K. Le Barbu-Debus, F. Lahmani, A. Zehnacker, N. Guchhait, S. S. Panja, T. Chakraborty, J. Chem. Phys. (2006), 125, 174305
- A. Bouchet, J. Altnöder, M. Broquier, A. Zehnacker, J. Mol. Struct. (2014), 1076, 344-351
- J. Altnöder, A. Bouchet, J. J. Lee, K. E. Otto, M. A. Suhm, A. Zehnacker, Phys. Chem. Chem. Phys. (2013), 15, 10167
Orateur: Etienne Rouquet (ISMO / Synchrotron SOLEIL) -
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Determination of vibrational circular dichroism spectra of fluxional molecules through classical polarisable molecular dynamics
Vibrational circular dichroism (VCD) is the weak difference in absorption for chiral molecules between right- and left- polarized light in the infrared range. It has promising applications in pharmacology owing to its ability to determine absolute configurations of chiral molecules. The shape of VCD spectra is highly sensitive to minor changes in conformation and molecular interactions, which makes it a sensitive probe of conformational isomerism and solvation [1].
As an alternative to methods based on explicit descriptions of electronic structure [2] and to circumvent their limited sampling capabilities in time and space, we have attempted to simulate the VCD spectrum directly from molecular dynamics trajectories employing a polarisable force field, extending earlier efforts dedicated to the IR spectrum [3]. In this presentation, we describe our implementation of VCD spectroscopy using the AMOEBA polarisable force field [4] in the Tinker software package [5]. We also report our first applications to solvated and solid amino acids, emphasizing the roles of temperature and the environment on the VCD spectrum. To determine the accuracy of the force field, we compare our results to those obtained with first principle molecular dynamics.
[1] Katia Le Barbu-Debus, Jessica Bowles, Sascha Jähnigen, Carine Clavaguéra, Florent Calvo, Rodolphe Vuilleumier, and Anne Zehnacker. Assessing cluster models of solvation for the description of vibrational circular dichroism spectra: synergy between static and dynamic approaches. PCCP, 22(45):26047–26068, 2020.
[2] Sascha Jähnigen, Arne Scherrer, Rodolphe Vuilleumier, and Daniel Sebastiani. Chiral crystal packing induces enhancement of vibrational circular dichroism. Angew. Chem., Int. Ed., 57(40):13344–13348, 2018.
[3] Florian Thaunay, Jana Chandramohan, Carine Clavaguéra, and Gilles Ohanessian. Strategy for Modeling the Infrared Spectra of Ion-Containing Water Drops. J. Phys. Chem. A 122, no. 3, 832-842, 2018.
[4] Jay W Ponder, Chuanjie Wu, Pengyu Ren, Vijay S Pande, John D Chodera, Michael J Schnieders, Imran Haque, David L Mobley, Daniel S Lambrecht, Robert A DiStasio Jr, et al. Current status of the amoeba polarizable force field. J. Phys. Chem. B, 114(8):2549–2564, 2010.
[5] J. W. Ponder. TINKER - Software Tools for Molecular Design (version 8). http://dasher.wustl.edu/tinker (accessed May 26th, 2021)Orateur: Jessica Bowles (Université Paris-Saclay, CNRS, Institut de Chimie Physique, UMR8000, 91405 Orsay, France & Laboratoire de Chimie Théorique, Sorbonne Université, Paris, France) -
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Influence of nuclear spin conversion of H2 molecules on the chemistry of the interstellar medium - Experiment and modelling
Hydrogenated molecules like H2 and H2O exist in several nuclear spin configurations due to the Pauli exclusion principle. These configurations are called ortho (parallel proton spins) and para (antiparallel proton spins). The ortho and para populations have been regularly determined by observations in different regions of space in far UV absorption (Copernicus, FUSE) and in IR and sub-mm emission (ISO, Spitzer, Herschel). The ortho/para ratio (OPR) depends on physico-chemical processes in these environments such as chemical formation, reactive collisions, adsorption and desorption effects of molecules on ice grains and could be a tracer of the history of molecules. In order to interpret the astronomical observations, it is important to confront the observations with the outputs of the more complete astrochemical model. H2 is the most abundant molecule in the interstellar medium and is known to be the main reactant involved in the reaction chain to form hydrogenated molecules (Van Dishoeck et al. 2013), the ortho/para ratio of H2 then plays a role in the chemical evolution of molecules like water (Bron et al. 2016, Dislaire et al. 2012).
For this purpose, we update the Meudon PDR code to take into account selective ortho/para chemistry in the gas and on grains. A gas-phase chemical network which takes into account the ortho/para aspect of the species (like the UGAN network developed by IPAG- Grenoble) is implemented to compare the models in PDRs with and without ortho/para
species. Moreover, the ortho/para ratio of H2 in gas phase could be affected by desorption processes on interstellar grains in cold regions and has to be implemented in the PDR Code. It is then necessary to know the characteristic time for the equilibration of the nuclear spin states of H2 on solid water at low temperature and the relative abundances of the nuclear spin states during desorption. To address these questions, we are currently developing a new laboratory experiment (COSPINU 2) in an ultra-high vacuum chamber to perform in situ measurements of the nuclear spin conversion of H2 deposited on H2O ices using Fourier transform infrared spectroscopy.
First results obtained with the new version of the Meudon PDR code using a chemical network restricted to a few ortho/para species will be presented for the water chemistry.
Measurements reported in the literature on the characteristic time of the nuclear spin conversion of H2 on solid water have shown large discrepancies - ranging from minutes to hours - (Ueta et al. 2016, Chehrouri et al. 2011, Sugimoto and Fukutani. 2011 ). We will present how the recent results obtained with COSPINU 2 fit into this context.Orateur: Japhar Michoud (LERMA) -
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Observing solvation free energy changes during biological processes with THz spectroscopy
Water is much more than a passive spectator during biological processes, such as enzyme-substrate binding, proteins folding and liquid-liquid phase separation. Solvation entropy and enthalpy changes actively contribute to shape the free energy landscape, together with the contributions from biomolecules interactions and entropy. Usually, the partial entropic and enthalpic solvation terms are large, but compensate each other with a subtle entropy/enthalpy balance, resulting in small free energy differences that can be tuned with small adjustment of the environment (e.g. temperature, concentration, co-solutes). However, a rational tuning requires mapping the complex interplay of local hydrophobic and hydrophilic solvation contributions. This remains a challenge for both theory and experiments, and cannot be achieved by standard calorimetry.
In this talk, I will present a novel approach, called THz-calorimetry, to quantify the solvation entropy and enthalpy changes during biological processes directly from experimentally measured THz spectra.1 The main advantages are two: (i) the THz spectra can be recorded as a function of time, with time resolutions down to ps, allowing to follow the free energy changes during chemical processes in real-time; (ii) we can dissect and interpret the thermodynamic quantities by deconvolving the THz spectra into local solvation contributions. In particular, the low frequency THz range is ideal to probe solvation, and I will show that the THz spectra systematically contain two well-separated signatures from water hydrating hydrophilic and hydrophobic groups. THz-calorimetry allows a quantitative correlation of the partial amplitude of these two spectroscopic contributions with partial ΔH and ΔS contributions from hydrophobic and hydrophilic hydration. I will illustrate the relevance of this approach to quantify and interpret solvation effects in biological processes with two applications: liquid-liquid phase separation of alpha-elastin2 and host-guest interactions between a biologically-inspired supramolecular catalyst and its substrate.3
References
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S. Pezzotti, F. Sebastiani, E. P van Dam, S. Ramos, V. C. Nibali, G. Schwaab, M. Havenith. Angew. Chem., Int. Ed. 61, e202203893 (2022).
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S. Pezzotti, B. Konig, S. Ramos, G. Schwaab, M. Havenith. J. Phys. Chem. Lett. 14, 1556 (2023)
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F. Sebastiani, T. A. Bender, S. Pezzotti, W.-L. Li, G. Schwaab, R. G. Bergman, K. N. Raymond, F. D. Toste, T. Head-Gordon, M. Havenith. Proc. Natl. Acad. Sci. 52, 32954 (2020).
Orateur: Simone Pezzotti (RUB University) -
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Solavation effect observed on a molecule deposited on an argon cluster
Real-time dynamics of the electronically excited open-ring isomer of 1,2-bis(2-methylbenzo[b]thiophen-3-yl)perfluorocyclopentene (BTF6) and 1,2-bis(2,4-dimethyl-5-phenyl-3-thienyl)perfluorocyclopentene (PTF6) molecules was investigated using a set-up that associates a molecular beam, femtosecond lasers and a velocity map imager. The molecules were either free in the gas phase or bound to an argon cluster. The free molecule dynamics was found to follow a three wavepacket model. One describes the parallel conformer (P) of these molecules. The other two wavepackets describe the reactive antiparallel conformer (AP). They are formed by an early splitting of the wavepacket that was launched initially by the pump laser. Each channel were identfied. When BTF6 and PTF6 molecules are bound to an argon cluster, the same three wavepacket model applies. We will present the effect by the argon cluster on the relaxation dynamics.
Orateur: Lionel POISSON (ISMO)
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Mini-colloques: MC17 Astrophotonique: optique moderne pour l’instrumentation astronomique: 1 Salle Yvette Cauchois
Salle Yvette Cauchois
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Coronographie vortex reconfigurable : quel futur pour une agilité aujourd’hui fragile ?
Occulter la lumière d'une étoile pour pouvoir scruter la lumière environnante est maintenant possible depuis plus de 80 ans grâce à l'invention par Bernard Lyot d'un instrument, le coronographe. L’occultation de la lumière dans une direction donnée peut se faire en modifiant l’amplitude ou la phase de l’onde lumineuse. La première option a été celle retenue par Lyot et depuis plus de 20 ans maintenant les physiciens travaillent à façonner la phase du champ optique qui est une solution prometteuses ayant déjà fait ses preuves en laboratoire et sur le terrain. Dans le but d’améliorer les performances de tels instruments appelés coronographes à vortex, plusieurs solutions sont possibles. L'une d'elles consiste à doter ces instruments de performances reconfigurables pour des utilisation inédites. Pour cela une proposition est d'utiliser les défauts topologiques apparaissant spontanément dans les cristaux liquides soumis à des champs extérieurs variés. Nous en discuterons les avancées et les limitations actuelles depuis la première démonstration en laboratoire datant de 2016.
Orateur: Etienne BRASSELET -
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Analyse de front d'onde interférométrique pour l'astronomie et la métrologie
Nous décrivons le Mach-Zehnder intégré (iMZ), un capteur de front d'onde basé sur le filtrage de Fourier d'un des bras de l'interféromètre. Ce type de capteur répond aux exigences de l'optique adaptative extrêmes en astronomie, une mesure de grande précision (< 10 nm à une échelle spatiale de 5 à 10 cm) avec peu de photons disponibles et très rapide (Kilo-Hertz). Comme l'iMZ effectue une mesure absolue de la phase et de l'amplitude, l'iMZ fonctionne efficacement tout en mesurant n'importe quelle aberration de phase continue ou discontinue. Pour effectuer ces mesures nous avons développé un nouveau composant et une nouvelle méthode d'étalonnage pour extraire la phase et l'amplitude du signal iMZ avec une très grande précision. Nous présentons en outre la méthode de modulation de phase développée pour augmenter la dynamique du capteur jusqu'à plusieurs microns. Cet analyseur a démontré ses capacités pour l'astronomie et en métrologie sur le banc d'essai du CRAL. Des applications à d'autres domaines sont envisagées.
Orateur: maud LANGLOIS (CNRS) -
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SWIFTS-MIR : un spectromètre miniature en optique intégrée dans le moyen infrarouge
Ce travail vise à présenter un spectromètre miniature en optique intégrée dans l'infrarouge moyen (bande L : 3,4 μm - 4,1 μm). La bande L présente plusieurs caractéristiques clefs pour l'astrophysique, notamment pour l'imagerie et la caractérisation de systèmes exo-planétaires jeunes. Ainsi, de nouveaux instruments et projets se concentrent sur cette bande, comme METIS, NOTT (au sol) ou LIFE (dans l'espace). L’utilisation dans ces projets de techniques photoniques et la recombinaison de faisceaux sur puce permettra d'obtenir des instruments plus compacts, facilitant leur intégration dans des projets au sol ou dans l'espace.
La technologie SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) est basée sur l'échantillonnage d'une onde stationnaire à l'aide de nanocentres de diffusion à la surface d'un guide d'onde. Une configuration Gabor est ici proposée : le faisceau entrant est divisé en amont de l'échantillon, puis injecté des deux côtés du guide. Il se retrouve au milieu, créant ainsi un interférogramme complet à large bande (alors que dans la configuration plus typique Lippman, où la lumière est injectée d'un seul côté et se reflète sur un miroir à l'extrémité du guide, seule la moitié de l'interférogramme est récupérée, masquant certaines informations de la source).
La résolution R du SWIFTS est directement liée à la longueur échantillonnée (L) du guide d’onde : $R = (2*n_{eff}*L)/ \lambda$. Pour L = 1cm à 3,4 μm, la résolution attendue est >10 000 (∆λ ~340 pm), ce qui permet d'obtenir un spectromètre compact, robuste et à haute résolution. La largeur de bande spectrale est définie comme $\Delta \lambda_{bandwidth} = \lambda^2/(4*n_{eff} *\Lambda)$ (Λ étant le pas entre deux centres d'échantillonnage consécutifs). Cette valeur ne pouvant être inférieure au pas de pixel du détecteur, la largeur de bande spectrale maximale que l'on peut espérer est assez contrainte : un pas de pixel de 30 μm donnera ∆λ$_{bandwidth}$ = 44nm. Afin d'augmenter la bande passante, le matériau choisi est le niobate de lithium (LiNbO3), un cristal électro-optique. La modulation temporelle de l'indice de réfraction par l'application d'un champ électrique permettra de réduire le pas d'échantillonnage effectif.
De plus, la zone de détection des détecteurs IR étant enfouie, un seul nanotrait par centre de diffusion donne un signal diffracté angulairement trop large et provoque du crosstalk entre les pixels. Pour surmonter ce problème, plusieurs traits par centre de diffusion (antennes) sont implémentés afin d'agir comme des réseaux de diffraction miniatures, et ainsi de réduire la divergence angulaire et d'augmenter le rapport SNR.
Enfin, afin d'obtenir un spectromètre compact et monolithique, le détecteur IR sera collé directement sur les antennes, ce qui contribuera à faire du SWIFTS un outil polyvalent, utile pour des applications astronomiques telles que la spectro-interférométrie, mais aussi la caractérisation de sources IR, la détection de gaz…Orateur: Myriam Bonduelle (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, 38000 Grenoble, France) -
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Les prochains grands miroirs à l'écoute des vibrations de l'espace-temps
La première détection directe d'une onde gravitationnelle en 2015 a marqué une nouvelle révolution en astronomie. Il est maintenant possible d'enregistrer les secousses de l'espace-temps issues de la fusion d’objets compacts comme les trous noirs ou étoiles à neutrons. À ce jour plus de 90 coalescences ont été détectées et une nouvelle période de prise de données a commencé ce printemps avec des instruments toujours plus sensibles. Cette prouesse a pu être réalisée grâce aux grands miroirs exceptionnels installés au cœur des détecteurs qui forment des cavités Fabry-Perot résonnantes de plusieurs kilomètres de long. Ces miroirs parfois qualifiés abusivement de parfaits ont été traités et caractérisés en France au Laboratoire des Matériaux Avancés à Lyon.
Alors que le compteur de détections va continuer à croître, une nouvelle génération de détecteurs est en cours de design. Ces nouveaux instruments de tous les superlatifs demanderons des miroirs, plus grands (> 600 mm de diamètre), plus lourds (200 kg) et avec un meilleur traitement réfléchissant. Certains miroirs opéreront même à température cryogénique, imposant l'utilisation de substrats cristallins. Cette présentation détaillera la motivation pour ces nouveaux détecteurs et les recherches et développements en cours pour répondre à ces besoins inédits en terme d'optique aussi bien au niveau du substrat que du coating.
Orateur: Jerome DEGALLAIX (LMA-IP2I / CNRS)
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Mini-colloques: MC20 Physique mésoscopique: 2 Salle Henriette Faraggi
Salle Henriette Faraggi
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Dynamical Coulomb Blockade in a temperature-biased quantum channel
The transport properties of quantum conductors can strongly change when embedded in an on-chip dissipative mesoscopic circuit. At the heart of this phenomenon is the Coulomb energy required to change the charge in small interconnect nodes of the circuit. Handling the dynamics of charge is a huge theoretical challenge beyond perturbative regimes. Yet, the suppression of the electrical conductance (also called dynamical Coulomb blockade) has been intensively investigated and successfully predicted in some mesoscopic circuits since 1990 [1,2].
Moreover, in voltage-bias nanocircuits, Joule power dissipation heats up small nodes, creating an electronic temperature imbalance. In this talk, I will present an experimental investigation of dynamical Coulomb blockade of a quantum channel in series with a resistance under a controlled temperature bias and compare the results to new theoretical developments [3].
[1] G.-L Ingold & Y. Nazarov, Single charge tunneling; Coulomb blockade phenomena in nanostructures (1992), plenum, New York edn. (Chapter 2)
[2] I. Safi and H. Saleur, One-Channel Conductor in an Ohmic Environment: Mapping to a Tomonaga-Luttinger Liquid and Full Counting Statistics, PRL 93, 126602 (2004)
[3] H. Duprez et. al., Dynamical Coulomb Blockade under a temperature bias, PRR 3, 023122 (2021)Orateur: Anne Anthore (Université Paris Cité) -
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Transport quantique dans des jonctions monolithiques Aluminium/Germanium incluses dans des nanofils
Les jonctions hybrides supraconducteur-semiconducteur sont un élément clé afin d’obtenir des supraconducteurs topologiques ou des bits quantiques supraconducteurs pilotables avec une grille électrostatique. La qualité et la reproductibilité de l’interface supraconducteur-semiconducteur est cruciale pour garantir le succès de ces applications.
Récemment, une nouvelle méthode pour obtenir des jonctions hybrides a été mise au point à l’université technologique de Vienne. En utilisant une substitution sélective du germanium par de l’aluminium, des jonctions monolithiques Al-Ge-Al peuvent être obtenues à partir de nanofils de Ge. La jonction hybride ainsi induite au sein du nanofil est formée par des contacts en aluminium quasi-unidimensionnels connectant une section de germanium via une interface très abrupte [1]. Dans le but de mesurer les propriétés de transport de ces jonctions incluses dans des nanofils, ces derniers sont intégrés à des transistors à effet de champ, le substrat servant de grille arrière
Durant cet exposé, je présenterai les mesures de transport effectuées sur ces jonctions Al-Ge-Al à 300 mK. En particulier, je décrirai comment le système peut passer d’un régime complètement isolant à un régime pour lequel la section de germanium joue le rôle d’une boîte quantique au travers de laquelle on observe du blocage de Coulomb puis à un régime pour lequel un courant supraconducteur passe au travers du nanofil, le système formant alors un transistor Josephson à effet de champ [2]. Dans ce dernier régime, la transparence de l’interface est supérieure à 95%.
L’ensemble de ces résultats démontre le potentiel de ces novelles jonctions hybrides Al-Ge-Al entant que dispositif quantique.[1] K. El. Hajraoui, A. Luong, E. Robin, F. Brunbauer, C. Zeiner, A. Lugstein, P. Gentile, J.L. Rouviere, M. Den Hertog, “In-situ TEM analysis of aluminum - germanium nanowire solid-state reaction” Nano Lett. 19, 2897 (2019).
[2] J. Delaforce, M. Sistani, R. Kramer, M. Luong, N. Roch, W. Weber, M. den Hertog, E. Robin, C. Naud, A. Lugstein, O. Buisson, “Al-Ge-Al Nanowire Heterostructure: From Single-Hole Quantum Dot to Josephson Effect”, Adv. Matter 33, 2101989 (2021)Orateur: Cécile NAUD (Institut Neel) -
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Quantum emission of photon multiplets by a dc-biased superconducting circuit
In nature the emission of photon from electronic relaxation is a well known phenomenon. The rate at which this process happens is controlled by the fine structure constant α=1/137. Because of this small value, the emission of more than one photon from a single relaxation event is a very rare event in nature and in optical experiments. In order to increase the probability of emission of photon multiplets it is necessary to increase the light-matter coupling intensity which can be done in the context of circuit QED by properly designing an RF resonator. I will discuss here the result obtained on a device with a coupling factor α≈2 [2]. By biasing a SQUID in series with a microwave resonator with a strong inductance coil we observe the emission of k photons for dc voltages V_dc=khν/2e which allows us to witness the emission of photon multiplets up to k=6. In order to investigate the statistic of the emission we compute the Fano factor from measurements of a second order correlator and find that for small enough Josephson energies the Fano factor coincides with k. We also perform a theoretical analysis of our system in order to understand the role of the bias noise as well as the detuning from the resonance condition and find an excellent agreement between theory and experiment.
[1] G. Ménard et al. Phys. Rev. X 12, 021006 (2022)
[2] C. Rolland et al. Phys. Rev. Lett. 122, 186804 (2019)Orateur: Gerbold MENARD (CNRS LPENS) -
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Equal-spin supercurrents and magnetization dynamics in high-temperature superconductor/ferromagnet hybrids
Superconductivity and magnetism are antagonistic phenomena whose competing interaction results in novel states and unusual properties that, beyond their fundamental interest, present much potential for rupture technologies. One of the promising examples is the so-called superconducting spintronics, which aims at marrying the spin-polarized transport characteristic of ferromagnets with the dissipationless, quantum-coherent transport of superconductors. We will focus on two different facets of that problem. On the one hand, we well describe experiments on the propagation of superconducting correlations into ferromagnets. In particular, we will demonstrate long-range Josephson coupling across the half-metallic manganite La0.7Sr0.3MnO3 combined with the high temperature superconducting d-wave cuprate YBa2Cu3O7. That is shown in planar junctions that display large critical currents and the hallmark Josephson characteristics: modulation of the critical current due to magnetic flux quantization and quantum phase locking effects under microwave excitation [1]. On the other hand, we will detail experiments on spin diffusion into superconductors. This is investigated using wideband ferromagnetic resonance in bilayers that combine a soft metallic Ni80Fe20 (Py) ferromagnet and YBa2Cu3O7. We find that the Gilbert damping exhibits a drastic drop as the heterostructures are cooled across the normal-superconducting transition, and then a strong upturn that indicates efficient spin pumping into the superconductor. This unique behavior is explained considering quasiparticle density of states at the YBCO surface, and is a direct consequence of zero-gap nodes for particular directions in the momentum space [2]. Our results demonstrate, the potential of high-temperature superconductors for the practical realization of superconducting spintronics, and for fine tuning of the magnetization dynamics of ferromagnets.
Work supported by ERC SUSPINTRONICS and MSCA “SUPERMAGNONICS”
[1] D. Sanchez-Manzano, S. Mesoraca, F. A. Cuellar, M. Cabero, V. Rouco, G. Orfila, X. Palermo, A. Balan, L. Marcano, A. Sander, M. Rocci, J. Garcia-Barriocanal, F. Gallego, J. Tornos, A. Rivera, F. Mompean, M. Garcia-Hernandez, J. M. Gonzalez-Calbet, C. Leon, S. Valencia, C. Feuillet-Palma, N. Bergeal, A. I. Buzdin, J. Lesueur, J. E. Villegas, and J. Santamaria, Extremely Long-Range, High-Temperature Josephson Coupling across a Half-Metallic Ferromagnet, Nat. Mater. 21, 188 (2022).
[2] S. J. Carreira, D. Sanchez-Manzano, M. W. Yoo, K. Seurre, V. Rouco, A. Sander, J. Santamaría, A. Anane, and J. E. Villegas, Spin Pumping in d -Wave Superconductor-Ferromagnet Hybrids, Phys. Rev. B 104, 144428 (2021).Orateur: Javier VILLEGAS (Unité Mixte de Physique CNRS/Thales) -
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Probing vortex dynamics in YBCO nanowire using RF illumination
Single photon detectors based on low temperature superconducting nanowires (SNSPD) have shown unmatched performance in terms of detection efficiency, count rate, jitter... and are currently commercially available.The possibility of achieving single-photon detection with high-temperature superconducting nanowires has been the subject of much theoretical work and intense debate, but there is no consensus in the community. This could reduce cooling efforts and thus enlarge a range of different applications of superconducting electronics. One way to achieve this is to fabricate ultra-thin nanowires whose superconducting properties are preserved in these materials that are easily degraded by standard nanofabrication techniques.
Transport properties of such devices strongly depend on the motion of Abrikosov vortices which is the aim of the current work.We studied transport properties of thin (30 nm thick) YBCO nanowires in a wide temperature range under microwave illumination. We observe Shapiro-like steps. At low temperatures (below 50 K) in addition to an integer fractional Shapiro-like steps were observed. This phenomenon can be understood in terms of synchronized vortex motion as it was approached by Likharev and Yakobson using a non-sinusoidal current-phase relationship for vortex motion in nanobridges. Several samples also show negative dynamic resistance enhanced by microwave illumination. Taking into account YBCO film morphology and using the Time-Dependent Ginzburg-Landau framework we show how the formation of different vortex patterns can explain all observed effects and lead to an explanation of a multimodal switching current distribution that we measured on these samples at low temperature."
"This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 754387”
Orateur: Sergei Kozlov (ESPCI) -
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Etude de la localisation des porteurs de charges et de ses effets sur les propriétés opto-électroniques des alliages semi-conducteurs désordonnés
Les alliages semi-conducteurs sont communément utilisés afin d'ajuster les propriétés électroniques et optiques des régions actives de dispositifs. En particulier, l'ajustement de l'énergie de bande interdite est une composante essentielle de la conception des dispositifs. Cependant, les alliages présentent en général un certain degré de désordre de par la disposition aléatoire sur le réseau cristallin des différentes espèces atomiques le constituant. Ce désordre de composition entraîne donc la perte de la périodicité du potentiel rencontré par les électrons. Les états propres de l'hamiltonien ne peuvent alors plus être décrits comme des ondes de Bloch délocalisées, mais peuvent devenir localisées en fonction de leur énergie et du degré de désordre du potentiel.
Dans cet exposé, nous présenterons des résultats récents sur la (dé)localisation des porteurs de charges dans les alliages III-V, III-N, ainsi que dans des alliages de pérovskites hybrides halogénés [1,2]. En particulier, nous discuterons de l'influence du désordre d'alliage sur les spectres d'absorption et de luminescence de tels composés. Ces études se basent conjointement sur l'étude de l'équation de Schrödinger et des propriétés du paysage de localisation associé [3]. Ces résultats numériques seront comparés à des données expérimentales montrant les effets du désordre d'alliage dans l'InGaN et les pérovskites, notamment par photoémission basse énergie, électroluminescence sous injection tunnel et absorption [2,4].
Semiconductor alloys are commonly used to achieve desired electronic and optical properties of devices' active regions. In particular, tuning the band gap energy is a key component in the design of a device. However, alloys usually present a certain degree of disorder due to the random positioning of the different species of the crystal lattice. This compositional disorder hence yields a loss of periodicity for the potential experienced by electrons. The eigenstates of the Hamiltonian can no longer be described as delocalized Bloch waves, but may become localized depending on their energy and the amount of disorder.
In this talk, we will present recent results on the (de)localization of charge carriers in III-V, III-N alloys as well as in mixed hybrid halide perovskites. In particular, we will discuss the influence of alloy disorder on light absorption and emission spectra. These studies are based jointly on the study of the Schrödinger equation and of the associated localization landscape. The numerical results will be compared with experimental results revealing the effect of alloy disorder in InGaN and in pervoskites, in particular using low energy photoemission, scanning electron luminescence and light absorption.
[1] https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.105.125422
[2] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c02352
[3] https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1120432109
[4] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.216602Orateur: Jean-Philippe Banon (Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, École Polytechnique, CNRS, Institut Polytechnique de Paris, Palaiseau, 91120, France)
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Mini-colloques: MC24 Bicentenaire des équations de Navier-Stokes: 2 Salle Violette Brisson
Salle Violette Brisson
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Hydrodynamique à bas Reynolds : apports de la microfluidique pour la compréhension et la mise en valeur d'effets aux interfaces
L'hydrodynamique aux échelles micrométriques est très fortement influencée, voire dominée, par les effets de surface (interactions moléculaires, écoulements Marangoni...) du fait d'un rapport surface/volume important à ces échelles. La microfluidique a apporté un nouvel éclairage sur ces effets, et il est possible d'en tirer profit pour contrôler des écoulements. Après une introduction générale, le propos sera illustré avec un exemple portant sur la séparation de phase d'un mélange binaire (une solution aqueuse contenant un liquide ionique) assisté par un gradient de température. Les liquides ioniques ont en effet des propriétés remarquables et sont couramment exploités pour la chimie verte, la lubrification et les applications énergétiques. Dans cette présentation, nous étudions une solution dont la séparation de phase (eau et liquide ionique) opère au-dessus d'une température critique. Pour ce faire, nous générons un gradient de température dans une cavité microfluidique où le confinement renforce les effets de mouillage et favorise la séparation. Nous verrons que trois régimes d'écoulement sont observés en fonction de la composition de la solution, dont une instabilité thermocapillaire, que nous avons pu modéliser. Cette expérience est une voie prometteuse pour le recyclage de ces solutions à fort potentiel.
Orateurs: Axelle Amon, Marc Pascual, Marie-Caroline Jullien (Institut de Physique de Rennes - CNRS) -
270
Approche quantitative du risque de transmission de SARS-CoV-2 en voie aérosol
SARS-CoV-2 est un pathogène transmis par voie aérosol. Un patient contagieux exhale des particules virales environnées de mucus lors de la respiration, de la parole ou de la toux. En subissant une phase d'évaporation rapide, les particules virales se dispersent puis restent en suspension dans l'air en raison de leur petite taille, et peuvent être inhalées par d'autres personnes, créant ainsi une chaîne de transmission. Comprendre et quantifier le risque de transmission permet de développer des mesures de prévention pour éviter proactivement les infections. Le risque de transmission aérosol peut être décomposé en trois contributions : un facteur biologique, qui dépend de la souche virale, un facteur de filtration par les masques, et un facteur hydrodynamique, qui dépend du transport turbulent des particules virales. En intérieur, le transport par les mouvements convectifs de l'air permet une transmission à longue distance, à l'échelle d'une pièce entière. Le risque à courte distance est lié à la dispersion turbulente par les courants d'air, en intérieur, ou le vent, en extérieur. Le risque peut être quantifié par la mesure de la concentration en CO2, dont nos expériences montrent qu'il est dispersé selon les mêmes lois que les particules virales. Des mesures en soufflerie et en conditions réelles dans deux centres commerciaux montrent que le cône de dispersion turbulente conduit à une concentration, donc un risque de transmission, décroissant comme l'inverse du carré de la distance à une personne contagieuse. A la lumière des résultats de G. I. Taylor (1922) sur la dispersion turbulente, nous réexaminons l'effet de l'inertie des particules sur leur dispersion par un écoulement turbulent. Il apparaît que le critère d'aérosolisation, se doit de comparer le temps de Stokes des particules au temps Lagrangien de la turbulence, et non au temps de Kolmogorov, se qui conforte nos résultats.
Publications :
- Turbulent dispersion of breath by the wind, American Journal of Physics 90, 826 (2022)
- Risk assessment for long-and short-range airborne transmission of SARS-CoV-2, indoors and outdoors, PNAS Nexus 1, 5 (2022)
- At the crossroads of epidemiology and biology: bridging the gap between SARS-CoV-2 viral strain properties and epidemic wave characteristics, Biochimie (2023)
Orateur: Florian POYDENOT (Laboratoire de Physique de l'Ecole Normale Supérieure) -
271
Dynamo action sustaining turbulence: a subcritical transition
Dynamo action in a stably stratified environment has been observed
for the first time in global numerical simulations quite recently.
The so-called Tayler Spruit dynamo interestingly exhibits a strong
level of turbulent fluctuations, turbulence which can be maintained
up to very low levels of differential rotation. A systematic parameter
study shows that the relevant criterion for this dynamo is a constant
magnetic Reynolds number, compatible with previous predictions.
Besides this very general result, the simulations seem to suggest
that the mechanism at hand is a subcritical transition to turbulence,
relying on a possible α/Ω mechanism. This transition can be descri-
bed by a dynamical system involving only three modes. In very good
agreement with the direct numerical simulations, it offers a more ge-
neral scenario for a subcritical transition to turbulence, which could
also apply to other types of instabilities, such as magneto-rotational
instability.Orateur: M. Florentin Daniel (LPENS) -
272
Viscous flows on curved surfaces
Thin-film flows in curved geometries are not exceptional in nature, they are the norm. They playing a key role in phenomena ranging from geophysical to embryonic flows, to everyday occurrences like bubbles bursting and cake frosting.
However, our understanding of viscous flows in curved spaces is largely limited to homogeneous shapes such as spheres and cylinders.
In this letter, we investigate the impact of curvature heterogeneities on viscous flows using model microfluidic experiments.
We demonstrate that anisotropic curvature fluctuations result in long-ranged flow distortions, while isotropic bumps lead to exponentially localized dipolar flows.
By combining electrostatic analogy, analytical theory, and numerical simulations, we establish the robustness of our experimental findings and explain the generic features of flow perturbations caused by curvature heterogeneities.Orateur: Stéphane Guillet (Laboratoire de Physique de l'ENS de Lyon) -
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Quelques expériences illustrant les solutions non-linéaires de l’équation de Navier-Stokes pour l’écoulement dans une conduite
L’écoulement laminaire dans une conduite de section circulaire admet une solution élégante sous la forme d’un profil de vitesse parabolique. De nombreux physiciens et ingénieurs ont vérifié ce profil de vitesse et la loi de perte de charge dite de Hagen-Poiseuille. Lorsque le débit augmente et avec un niveau de perturbation à l’entrée de la conduite faible, l’écoulement conserve son caractère laminaire. Cependant, lorsque des perturbations sont présentent ou ajouté artificiellement, une transition soudaine est observée. Dans cette présentation, nous décrirons l’effet de diverses perturbations et l’émergence de la turbulence dans l’écoulement dans une conduite.
Orateur: Jorge PEIXINHO (Laboratoire PIMM, CNRS, Arts et Métiers, Cnam) -
274
The unpredicted scaling of the one-dimensional Burgers/Kardar-Parisi-Zhang equation
The Burgers equation exactly maps to the Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) equation, which describes the kinetic roughening of stochastically growing interfaces. In one dimension, the KPZ equation is exactly solvable, and its statistical properties are known to an exquisite degree. Yet recent numerical simulations [1] unveiled a new scaling, with a dynamical exponent z=1 different from the KPZ one z=3/2. In this talk, I will show that this scaling is controlled by a fixed point which has been missed so far and which corresponds to an infinite effective coupling. This fixed point can be accessed using the functional renormalisation group, and it yields z=1 [2]. The FRG also allows for the calculation of the correlation function at this fixed point. I will discuss the associated scaling function, providing both an analytical asymptotic form and the complete numerical solution, which accurately match the result from the numerical simulations.
[1] Cartes, Tirapegui, Pandit, Brachet, Phil. Trans. Roy. Soc. A 380, 20120090 (2022)
[2] Vercesi, Fontaine, Brachet, Canet, to appear (2023)Orateur: Léonie CANET (Université Grenoble Alpes) -
275
Production et décroissance de turbulence à l’arrêt
Alors que la turbulence apparaît généralement sous l'effet d'un forçage qui injecte une grande quantité d'énergie dans l'écoulement, nous présentons une étude pour laquelle la production de la turbulence puis sa décroissance sont produites par l'arrêt du forçage. Nous considérons l'écoulement de Couette-Taylor, l'écoulement produit entre deux cylindres coaxiaux en rotation. Dans notre étude, seul le cylindre extérieur est en rotation avant d'être brusquement arrêté. L'écoulement est donc initialement laminaire. L'arrêt le déstabilise et conduit à l'apparition puis à la décroissance de turbulence. Les différentes étapes de la génération et de la décroissance de la turbulence sont étudiées. Deux approches numériques, sur OpenFOAM et sur Ansys, sont utilisées et comparées entre elles ainsi qu'à l'étude expérimentale de H. Singh et A. Prigent [1]. Les paramètres physiques du système sont donc identiques à ceux de l'expérience sauf en ce qui concerne la longueur des cylindres $L$ réduite par rapport aux expériences. L'espace annulaire a une largeur $d=1$ cm, le rapport des rayons est $\eta=0,8$ et le rapport d'aspect est $\Gamma=L/d=10$. Un maillage adapté et des critères de convergence numérique rigoureux sont nécessaires pour assurer la précision des résultats obtenus. Les études sont réalisées avec la méthode LES-Wale (Large Eddy simulation - Wall-Adapting Local Eddy-viscosity) en raison de sa précision pour les petites échelles. Pour cette étude trois nombres de Reynolds extérieurs, identiques à ceux étudiés par H. Singh et A. Prigent [1], sont considérés. Les contributions attendues de ce projet comprennent une analyse comparative des performances des deux logiciels de simulation, une validation des résultats numériques avec les données expérimentales, et une meilleure compréhension du phénomène de turbulence dans le système de Couette-Taylor notamment en ce qui concerne son apparition suite à la déstabilisation de l'écoulement initial.
Références
1. H. Singh & A. Prigent : Turbulence generation and decay in the Taylor–Couette system due to an abrupt stoppage. J. Fluid Mech. 918, A21 (2021)Orateur: Arnaud Prigent (LOMC, UMR 6294, Université Le Havre Normandie, CNRS)
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Mini-colloques: MC25 Histoire des Sciences: 2 Salle Cécile Renault
Salle Cécile Renault
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Benjamin Franklin et son cerf-volant, un mythe de plus ?
L'histoire de l'expérience de Franklin avec son cerf-volant est bien connue. Elle a été relatée de très nombreuses fois, mais pas toujours de la même façon. En cherchant à mieux comprendre comment il aurait opéré, on est surpris par l'absence de sources sérieuses, les propos de Franklin étant eux-mêmes confus et pas toujours cohérents. Difficile de ne pas douter de la véracité de cette histoire, probablement une légende inventée par...
Orateur: Kamil FADEL (Palais de la découverte/Universcience) -
277
La copie de physique d’Évariste Galois au concours de l’École préparatoire en 1829 : une sonde pour explorer la physique en tant que discipline scolaire.
En août 1829, Évariste Galois, élève du collège royal Louis-le-Grand, compose les épreuves écrites du concours de l’École préparatoire. Cet examen est le seul de cette décennie à comporter des questions écrites de physique dont les archives sont disponibles.
Le potentiel heuristique de cette copie couvre une partie de la physique comme discipline scolaire. Galois n’est pas intéressé par la physique telle qu’elle lui est enseignée. Par l’étude des programmes et des manuels, par des hypothèses sur le déroulement d’un cours, étayées sur les témoignages, sources secondaires et dispositifs expérimentaux recensés au collège royal Louis-le-Grand, par l’examen quantitatif des sujets de concours sur plusieurs années, nous avons établi qu’il subit l’enseignement d’une physique scolaire en transition, image retardée de la transition du champ savant vers la « physique mathématique classique ».
Cette transition est incarnée par les figures tutélaires d’Ampère et de Péclet, qui interviennent tous deux successivement sur l’épreuve de physique du concours de l’École préparatoire durant cette période charnière 1826-1830.
Mots-clés
Physique, histoire de l’éducation, Péclet, Ampère, Galois, École préparatoire, École centrale, Louis-le-Grand, manuels scolaires, dispositifs expérimentaux.Orateur: Aurélien Gautreau (EST Paris Saclay) -
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Progrès scientifiques: révolutions et continuité?
Dans l'analyse de Kuhn, les révolutions scientifiques opèrent des "changements de paradigme" lorsque la science dite normale change de regard sur ce qu'elle croyait être un détail insignifiant, et qui se révèle le coeur d'une nouvelle philosophie scientifique. Cette analyse mérite toutefois quelques commentaires: premièrement, les nouveaux paradigmes ne remplacent pas toujours les anciens, car au-delà du progrès conceptuel qu'ils représentent, de nombreux problèmes restent plus faciles à traiter et visualiser avec l'ancien paradigme. De plus, les grands changements conceptuels sont souvent nécessaires pour expliquer des déviations expérimentales initialement très faibles. Le plus souvent, à une dynamique révolutionnaire des concepts fondamentaux correspond une progression très monotone et continue de notre capacité concrète de prédiction. Nous prendrons quelques exemples fameux de changements de paradigme en physique, et nous verrons dans quelle mesure ils ont pris la place des anciennes représentations, ainsi que le gain concret de capacité de prédiction qu'ils représentaient à leur naissance.
Orateur: Kevin Fraval (Lycée Henri IV-Paris) -
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L’expérience de Michelson et Morley : la fin de la physique classique ?
Dans les années 1880, Albert Michelson et Edward Morley tentent de mesurer, avec un instrument inédit, l’influence du déplacement de la Terre sur la propagation des ondes lumineuses. Ce « vent d’éther », si longtemps cherché, reste invisible malgré la précision de l’expérience. Les physiciens doivent donc se résoudre à revoir leur copie sur la question de la propagation, ce qui amène peu à peu à la naissance de la cinématique relativiste.
Comment l’expérience de Michelson et Morley a-t-elle pris une telle importance ? A-t-elle eu un rôle si décisif dans la construction de la physique moderne ?
Pour répondre à ces questions, il est nécessaire de se plonger dans la physique du XIXe siècle et sa pierre angulaire : l’éther.Orateur: Nicolas Nio (Observatoire de Paris) -
280
Des fluides vitreux et résineux à l'électron: l'histoire d'une particule
Les 150 dernières années ont été marquées par une longue série de découvertes de particules élémentaires, dont chacune cache l’histoire de nombreux physiciens et physiciennes. La découverte de l’électron, à la fin du 19ème siècle, est très généralement attribuée à Joseph John Thomson. En effet, c’est lui qui, en 1897, a démontré que les rayons cathodiques, observées par Michael Faraday 60 ans plus tôt, consistaient en un faisceau de particules particulièrement légères, ayant toutes la même valeur de charge électrique. Cette découverte n’était cependant que l’aboutissement d’une longue histoire de recherche scientifique à travers laquelle le concept de l’électricité s’est modifié selon les observations et parfois l’imagination des physiciens. Nous raconterons ici l’histoire de l’électron à partir de la deuxième moitié du 18eme siècle, quand l’électricité était encore vue comme la circulation d’un fluide de nature inconnue, et jusqu’aux découvertes de Jean Perrin et de J. J. Thomson.
Orateur: Iro KOLETSOU (Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules) -
281
La relativité « au premier ordre » en V/c
Dans son célèbre article de juin 1905 sur l’électrodynamique des corps en mouvement fondant la théorie de la relativité restreinte, Albert Einstein écrit dans son introduction : « aucune propriété des faits observés ne correspond au concept de repos absolu » avant d’ajouter « comme il a déjà été montré par l’approximation au premier ordre des grandeurs [en V/c] ». Nous reviendrons donc sur cette relativité « au premier ordre » née de la « théorie des états correspondants » de Lorentz de 1895 et de l’intérêt que manifeste Henri Poincaré pour cette théorie électrodynamique en 1900. Nous discuterons aussi du passage des transformations infinitésimales de 1895 aux transformations finies de 1905 du groupe de Lorentz et de leurs liens avec l'enseignement.
Orateur: Christian Bracco (Observatoire de Paris) -
282
« De la nouvelle étoile » à la mort des étoiles, histoire des « supernovæ »
En 1885 est observée pour la première fois une nova dans une
« nébuleuse », en l’occurrence celle dite d’Andromède. Cette observation
va fonder la science des supernovæ. Tout au long du vingtième siècle,
les découvertes successives dans divers domaines de la physique mais
également dans les archives astronomiques des siècles passés vont mener
à la construction des scenarii actuellement admis pour expliquer ces
événements. Cet exposé retracera brièvement cette épopée d’un domaine
qui a joué un rôle considérable dans l’histoire de la physique, puisque
notre parcours nous ramènera à ses balbutiements au seizième siècle.Orateur: Bruno Pagani (Lycée Roland Garros – Le Tampon (La Réunion)) -
283
Histoire française des accélérateurs de particules
L’histoire des accélérateurs est étroitement liée à l’histoire de la physique de la matière qui nous constitue et qui nous entoure. Jusqu’au XIXe siècle, l’étude de la matière se fait à l’échelle macroscopique. Mais dès le début du XXe siècle, les notions d’atome, de structure électronique et de noyau apparaissent, faisant émerger le besoin de nouveaux instruments plus performants. Ces instruments sont les accélérateurs de particules. Partant d’une énergie de l’ordre de la centaine de keV en 1930, les accélérateurs atteindront le TeV en 60 ans, soit un gain en énergie de sept décades : c’est la contribution des équipes françaises à cette fabuleuse épopée qui sera présentée dans cet exposé.
Orateur: Louis Rinolfi (CERN)
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10:30
Pause - Café Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Table ronde 3: Enjeux climatiques et transition énergetique Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
L’objectif de cette table ronde est de comprendre les raisons fondamentales pour lesquelles la transition énergétique est une nécessité, les défis scientifiques qu’elle nous impose de relever pour électrifier nos usages et remplacer les énergies fossiles par une économie circulaire du carbone, et, s’assurer que cette transition est respectueuse des objectifs de développement durable que ce sont fixés les nations unis. Après une brève introduction rappelant notre bilan énergétique, Valérie Masson-Delmotte nous présentera le 6ème rapport du GIEC, Marc Fontecave nous introduira les défis que l’on doit relever pour créer cette économie circulaire du carbone et Michel Spiro nous expliquera en quoi nos recherches fondamentales dans le domaine de l’énergie contribuent aux objectifs des Nations Unies. A la suite de cette séquence, nous aborderons certains des défis de l’énergie et du climat comme : le stockage, l’hydrogène, l’eau, la mitigation, l’adaptation, … et consacrerons la dernière demi-heure aux questions que l’auditoire posera.
Président de session: Stanislas POMMERET (SCF, DRF CEA)-
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Une vision globale de la physique et de ses enjeux sociétalesOrateur: M. Michel Spiro (École Polytechnique)
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Changement climatiqueOrateur: Mme Valérie Masson-Delmotte (CEA Saclay)
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Nouvelles approches pour la transition énergétiqueOrateur: M. Marc Fontecave (Collège de France)
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284
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12:30
Remise des prix poster EPL et EPJ Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
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12:40
Déjeuner Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Session sociétale 5: Culture physique des politiques Salle Louis Armand Est
Salle Louis Armand Est
Président de session: Daniel HENNEQUIN (CNRS)-
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Culture scientifique et politiques en FranceOrateur: Daniel HENNEQUIN (CNRS)
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Science et politiques aux États-UnisOrateur: James Wells (Physics Department, University of Michigan)
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Table rondeOrateurs: Aurélie Biancarelli-Lopes (Maire de Marseille), Eric Picholle (CNRS Institut de Physique de Nice), Laurent SIMON (TheMetaNews), Roland Lehoucq (CEA)
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287
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Session sociétale 6: Science Ouverte et Evaluation Scientifique Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Président de session: Jean Daillant-
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IntroductionOrateurs: Agnès Henri (EDP Sciences), Stefan Hohenegger
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Table rondeOrateurs: Alain SCHUHL (CNRS), Arnout JACOBS (Springer Nature), Jean-Sébastien CAUX (University of Amsterdam), Raphaël LÉVY (Université Sorbonne Paris Nord), Zoé ANCION (ANR)
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Discussion
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290
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16:00
Pause - Café Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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16:30
Visites d'installations scientifiques
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19:30
Diner de gala Chalet des Iles Daumesnil - Vincennes
Chalet des Iles Daumesnil - Vincennes
Bois de Vincennes, Ile de Reuilly, 75012 Paris
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08:00
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08:00
Accueil Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Mini-colloques: MC02 Contributions des laboratoires français aux futurs grands collisionneurs: 2 Salle Claudine Hermann
Salle Claudine Hermann
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08:30
Accueil
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Et après le Large Hadron Collider ? Quelle est ou pourrait être la contribution française au successeur du LHC
Et après le Large Hadron Collider ? Quelle est ou pourrait être la contribution française au successeur du LHC
Orateur: Dr Maria De Los Angeles FAUS-GOLFE (IJClab) -
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Design and performance challenges of the future high energy colliders
The recent update of the European Strategy recommends that "Europe, together with its international partners, should investigate the technical and financial feasibility of a future hadron collider at CERN with a centre-of-mass energy of at least 100 TeV, with an electron-positron Higgs and electroweak factory as a possible first stage. "
These studies will feed into the next update of the European Strategy. They include the optimisation of the conceptual design and the performance study of the complex colliders, as well as a strong focus on the European Accelerator R&D Roadmap. The roadmap aims at increasing the R&D efforts on the different subsystems of the Future Circular Colliders (FCC) as well as on novel techniques and types of accelerators. In particular, the European Accelerator R&D Roadmap also includes a 10 or more TeV muon collider. After a brief introduction to the FCC and muon collider projects, we will give an overview of the major challenges and French contributions to the entire collider complex. A special focus will be given to the design challenges of the hadron collider and the final acceleration stage up to the leptons colliders, as well as a performance evaluation of the current injector design.Orateur: Barbara Dalena -
295
Ion-Ion Collisions for Atomic Physics at CRYRING@ESR, GSI/FAIR
Whereas ion–ion experiments for high-energy physics (like the experiments at CERN) are currently carried out, ion–ion collisions for atomic physics have been performed in the past mainly in the low velocity regime, i.e. typically at center-of-mass energies of a few keV up to a few 100 keV. There, the charge transfer process is by far the dominant electronic process. Investigation of the intermediate velocity regime reached when MeV/u ions interact with keV/u ions is more complicated due to the fact that, there, all the primary electronic processes (electron capture, loss and excitation) reach their optimum probability leading to the maximum of the ion stopping power. To carefully study and measure the absolute cross sections of elementary electronic processes, we have developed an experimental program, named FISIC for Fast Ion Slow Ion collisions, to perform ion-ion collisions with an ultimate control of the number of electrons bounded to the ions. Besides the possibility to reach the pure three-body problem (bare ion on hydrogenic target) as a benchmark, the role of additional electrons –added one by one- should allow quantifying several effects such as the role of electron–electron interactions for instance and this for a large variety of collision systems. This program will be conducted on the CRYRING@ESR facility. CRYRING is an ion storage ring integrated into the GSI/FAIR accelerator complex (Darmstadt, Germany) and the smallest of the storage rings. It can store and cool MeV/u heavy, highly charged ion beams. It features excellent vacuum conditions to achieve ion beam lifetimes of several seconds to minutes for even the highest charge states of ions. The FISIC platform that will provide cleaned keV/u ion beams will be connected to CRYRING. The first experiments are scheduled in 2024-2025.
To be more general, France is one of the contributor in the construction of the FAIR accelerator facility. We present here a program that is included in SPARC (Stored Particles Atomic Physics Research Collaboration) belonging to the APPA (Atomic, Plasma Physics and Applications) pillar; one of the four experiment pillars of research at GSI/FAIR.Orateur: Prof. Emily Lamour (Sorbonne Universite) -
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RF cavity in French Accelerators
The RF cavity is a mostly used element in particule accelerator. To accelerate the charge particles, the RF cavity is driven by a high-power RF amplifier, which provides the energy to particle for accelerating. Various French laboratoires have participled in many European and International projects to develop different type of cavities. The cavities used in french accelerators are reviewed.
Orateur: Lu ZHAO (Synchrotron SOLEIL) -
10:25
Conclusion du mini-colloque
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08:30
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Mini-colloques: MC04 Mécanique et le vivant: 3 Salle Cécile Renault
Salle Cécile Renault
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Fast multiphoton imaging of embryonic development in vivo: from motile cilia to the beating heart
Multiphoton microscopy has demonstrated unique advantages for imaging embryonic development in vivo, including deep imaging or the ability to combine nonlinear fluorescence excitation with label-free contrast mechanisms, such as second or third harmonic generation. However, the acquisition speed is often a critical limitation for multiscale imaging or for investigating fast biological phenomena, such as motile cilia, biological flows or the beating heart. We will present optical and computational strategies that we have developed in recent years to circumvent or overcome this limitation. Indeed, we will show how light-sheet illumination or biological periodicities and imaging artifacts, can be exploited to capture and study processes of extreme dynamics deep inside a living embryo. For example, we have been able to capture multicolor or label-free multiphoton signals in a beating embryonic heart with millisecond time resolution, to resolve the blood flow at micrometer scales, to record neuronal activity in an entire developing brain, to study beating cilia or to quantify the microscopic flows they generate that break left-right symmetry deep inside the embryo. Capturing and quantifying such dynamic processes provides new insights into embryonic development and opens up new possibilities for understanding this fascinating event.
Orateur: Dr Willy SUPATTO (Laboratory for Optics and Biosciences (LOB) - Ecole Polytechnique - CNRS - INSERM) -
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Two-state micropattern: dynamic adhesion assay at the single cell level
Microstructured surfaces offer powerful platforms to investigate single cell adhesion, migration and contractility. Micropattern lattices have been successfully used to control the cell contractile apparatus [1], the cell motion [2,3], and also to study the regulation between integrins and Rho-family GTPases (or Src-familiy kinases) adhesion signaling pathways [4,5]. Two-state micropattern, composed of two connected patterns, was recently employed to study occupancy probability according to the shape, the size and the orientation of each patterns [6]. By this way, we propose to use two asymmetric motifs, displaying a non-uniform fibronectin concentration, and on which cells exhibit a different adhesion strength and contractility (one motif is pro-adhesive and pro-contractile). These patterns were obtained with the Alvéole system, which allows to control the concentration of fibronectin on glass substrate. Cell motion between the two motifs was observed during 48h with epi-fluorescence and phase contrast imaging. Single cell tracking analysis provides probability of occupancy, transit rates and dwell times between motifs. In order to highlight the fingerprints of RPE1 cells on such two-state pattern, all these readouts parameters have been examined with a dedicated deep learning approach.
[1]. M. Théry, PNAS, 103, 2006, p19771.
[2]. K. Kushiro, Langmuir, 28, 2012, p4357.
[3]. D. Caballero, Biophys. J., 107, 2014, p34
[4]. R. De Mets, MBoC Brief Report, 30, 2019, p181.
[5]. T. Andersen, Biophys. J., 122, 2023, p684.
[6]. A. Fink, Biophys. J., 118, 2020, p552.Orateur: Rodolphe JAFFIOL (L2n, EMR CNRS 7004, UTT) -
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Acoustic force spectroscopy for viscoelasticity of suspended cells at long timescales
Cells mechanical reflects a signature of the cell state, in health and disease. Various techniques have been developed to measure cell viscoelasticity, which is inherently dependent on the timescale of measurement. While several works report data at medium to short timescales (from seconds to microseconds), few are the techniques that allow viscoelastic measurement at long timescales (minutes to hours). We propose to use acoustic force spectroscopy (AFS) coupled to Reflection Interference Contrast Microscopy (RICM) to perform measurements on suspended cells, without any contact or labeling.
The AFS setup consists of a microfluidic channel with a transparent piezo on top to generate standing acoustic waves inside the channel. These acoustic waves are used to push suspended cells towards the bottom of the channel while RICM allows to determine the contact surface of the cells to the substrate, and therefore their deformation. Microgel beads of known Young’s modulus are mixed with the cells and used as force sensors, allowing in situ calibration. The applied forces are modulated in order to achieve active microrheology measurements and a viscoelastic characterization of the cells. This method allows the observation of several cells in parallel, opening the way to low-frequency (10^-3 Hz) active microrheology experiments, a regime still unexplored at the single-cell level.Orateur: Dr Felix Rico (LAI) -
300
Combining FRET tension sensor and optical tweezer for mechanical studies on living cells
Introduction: Focal adhesions (FAs) are the anchoring point which link the actin cytoskeleton to the extracellular matrix and though which cells sense their environment. Several proteins are involved in FAs assembly, stabilization and disassembly but their roles are still not fully understood. The vinculin protein is force-dependently recruited and is suspected to be responsible for FAs stabilization. FRET-based tension sensors are a remarkable tool used to study the forces exerted on FAs proteins.
Förster resonance energy transfer (FRET) is a unique way to measure nanometer-scale distances between two fluorophores, a donor and an acceptor, without the need for high resolution imaging. When the donor and acceptor pair are connected with an elastic linker subjected to tension, the distance measurement can be translated into a force measurement, with pN sensitivity. These FRET tension sensors have been inserted inside proteins involved in cell attachment.Method: Direct measurement of FRET efficiency with fluorescence lifetime measurements (FLIM), typically require a costly scanning microscopy setup with a short-pulse laser and a detector able to measure nanosecond lifetimes. Sensitized FRET measurements, based on fluorescence intensities, can be done on simpler setups, providing images over a large field of view without scanning. The originality of our setup lies in the simultaneous detection of the fluorescence of the donor and the acceptor, and the sequential excitation with two LEDs, avoiding any moving parts in the system. Our setup combines fluorescence excitation and an optical tweezer to simultaneously monitor the force applied on the cell membrane in vivo and the FRET efficiency of the vinculin tension sensor near the point of application of the force. The optical tweezer is based on a laser at 1069nm and a detection by reflection, allowing a rapid and precise measurement of the force exerted by the optical tweezer.
Results: Our measurements have been performed at FAs sites of CHO cells, on a tension sensor inserted in vinculin (VinTS), and compared with a force insensitive tail-less control (VinTL), lacking the actin-binding domain of vinculin. Small changes in FRET efficiency of VinTS can be translated into force variations (ranging from 1 to 10 pN). Variation of these forces depending on the surface treatment on which the cells are plated has been observed.
Our simple optical setup has proven capable of measuring FRET efficiencies in live cells with adequate sensitivity to resolve small changes in FRET efficiency. Microbeads coated with fibronectin are brought in contact with cell membrane to create FAs. FAs formation is stimulated by constraining the bead with the optical tweezer. Vinculin recruitment around the bead is monitored by fluorescence, then FRET gives access to forces exerted on vinculin. Simultaneously, force exerted by the cell on the beads is known by tracking the bead position relative to the optical trap.Orateur: Camille Dubois (Institut d'Optique Graduate School) -
301
Globules rouges et rotors moléculaires : vers le suivi de pathologies érythrocytaires par nanorhéologie ?
Nous proposons une technique de nanorhéologie des globules rouges basée sur les rotors moléculaires, sondes fluorescentes de viscosité. Nous identifions le DASPI, un rotor moléculaire adapté à l’hémoglobine, qui pénètre spontanément dans les globules rouges. Sa sensibilité à la viscosité dans les fluides simples le rend attractif pour l’étude de pathologies érythrocytaires caractérisées par la rigidification des globules rouges. Le rotor permet de distinguer des globules rouges sains dont la rigidité est variée par température ou entre les donneurs, fournissant la preuve de concept de notre technique de nanorhéologie. La pertinence de la nanorhéologie est étudiée par rapport à l’ektacytométrie, la technique de référence des pathologies érythrocytaires. Dans le cas de la drépanocytose, reconnue comme priorité de santé publique, nous proposons de nouveaux indicateurs qui pourraient compléter les suivis cliniques actuels.
Orateur: Alice Briole (Laboratoire Matière et Systèmes Complexes) -
302
Transport properties in inert 2D Droplet Interface Bilayer Networks
In a tissue, cells that are in direct physical contact with each other can exchange ions or molecules via protein clusters called gap junctions, that form channels across the membranes of adjacent cells. Artificial systems that mimic cellular tissues can be used as a way to overcome the complexity of cell-cell communication in biological tissues. For this, a simplified biomimetic approach, coupled with theoretical modeling is used. Tissues are mimicked with 2D arrays of aqueous droplets connected by lipid membranes called Droplet Interface Bilayers (DIBs) decorated with inert transmembrane proteins. The diffusion of carboxyfluorescein across the DIB network is thoroughly studied. The results are directly confronted with the theoretical models of the transport of ions in these artificial tissues using Continuous Time Random Walks
Orateur: Sapna Ravindran (Laboratoire Jean Perrin, Sorbonne University) -
303
Morpho-mechanical study of 3D cellular assemblies with confocal Brillouin light scattering
Morphological traits of 3D multicellular complexes can reliably discriminate features and gene functions[1]. Many ways exist for probing the morphology of 3D cellular complexes, with different degrees of spatial resolution and invasiveness. Brillouin Light Scattering[2] is in that matter a particularly interesting option because it is label-free and can perform measurements at a spatial resolution limited only by diffraction.
Here, we present a confocal device to perform Brillouin scattering images of 3D cellular complexes. By adjusting the degree of confocality[3] of our device, we show that it is possible to perform a reliable and non-invasive measurement of the morphology of an organoid at a spatial resolution where all the morphological information is kept, while ensuring the fastest acquisition rate. We also show that our approach is an improvement in terms of stability compared to state of the art setups.
We apply this technique to the identification of a particular kind of organoid, which is defined by its morphology: the acinus. Acini are hollow organoids which are commonly used as models of epithelial glands such as prostatic or pancreatic glands, and whose morphology is sensitive to the development of pathologies such as cancers[4]. Brillouin scattering being intrinsically a measure of the mechanical properties of an assembly, we conclude our demonstration by presenting a micromechanical study of the development of the cells composing an acinus during its morphogenesis, underlining the presence of an evolution of the mechanical properties of the cells.References
[1] Taubenberger, A. V. et al. 3D extracellular matrix interactions modulate tumour cell growth, invasion and angiogenesis in engineered tumour microenvironments. Acta Biomater. 36, 73–85 (2016).
[2] Palombo, F. & Fioretto, D. Brillouin Light Scattering: Applications in Biomedical Sciences. Chemical Reviews vol. 119 (2019).
[3] Wilson, T. & Masters, B. R. Confocal microscopy. Appl. Opt. 33 4, 565 (1994).
[4] Debnath, J., Muthuswamy, S. K. & Brugge, J. S. Morphogenesis and oncogenesis of MCF-10A mammary epithelial acini grown in three-dimensional basement membrane cultures. Methods 30, 256–268 (2003).Orateur: Pierre Bouvet (Univ. Grenoble Alpes, CEA, LETI)
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Mini-colloques: MC05 Physico-chimie des environnements atomiques et moléculaires froids et ultra froids: 2 Salle Violette Brisson
Salle Violette Brisson
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Imaging the structure and dynamics of helium nanodroplets with intense X-ray pulses
The intense coherent X-ray pulses from short-wavelength Free-Electron Lasers (FEL) have opened up the possibility to take “snapshots” of individual free-flying nanoparticles with Coherent Diffraction Imaging (CDI), without the need to fix the samples on a substrate. In a single irradiation, especially fragile, short-lived or unique nanoscale structures, such as single viruses, aerosols, and even superfluid helium nanodroplets can be made visible. Following the pioneering experiments on helium nanodroplets with xenon decorated vortices by the Vilesov group [1] a vivid research field has evolved around the morphology of helium nanodroplets and embedded dopants in presence or absence of quantum vortices. We have contributed to this new research direction with clarifying the three-dimensional shapes of helium nanodroplets [2] and determining the onset of vortex formation in helium droplets from gas expansion [3].
The femtosecond snapshots taken with single-shot single-particle CDI make the method also ideally suited for resolving changes in nanoparticles in time and space after irradiation with an optical laser pulse. We have recently found that doped helium droplets undergo strongly structured fragmenting due to dopant-induced plasma ignition [4].
Even ultrafast changes in the electronic properties, e.g. through ionization are imprinted in the coherent diffraction patterns [5], especially when near-resonant wavelengths are used for probing. But the temporal evolution of such ultrafast alterations could not be investigated with the typical pulse durations of tens or hundreds of femtoseconds. In this regard, the current advent of intense few-femtosecond and sub-femtosecond pulses from X- FELs and high-intensity laser-based High Harmonic Generation (HHG) is opening up new pathways towards resolving electron dynamics in nanoscale matter in time and space.References
[1] Gomez et al., Science (2014).
[2] Langbehn et al., Physical Review Letters (2018). [3] Ulmer et al., Physical Review Letters (2023).
[4] Langbehn et al., New Journal of Physics (2022). [5] Rupp et al., Struct. Dyn. 7, 034303 (2020).Orateur: Daniela Rupp -
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Quantum gases of ultracold polar molecules
In recent years, tremendous progress in the preparation and control of ultracold molecular gases in the quantum regime has been achieved and has opened exciting new research opportunities. Molecules rotate and oscillate and therefore offer many more quantum degrees of freedom than their atomic counterparts. Polar molecules interact via strong and long-range anisotropic interactions. These unique molecular properties lead to largely unexplored new possibilities and surprising results. These range from peculiar scattering properties via the control of ultracold collisions and chemical reactions to strongly correlated dipolar quantum many-body systems.
Within my talk, I take you on a tour through our experiments with ultracold polar molecules and discuss recent results on molecule-molecule and atom-molecule collisions including collisional resonances.Orateur: Silke Ospelkaus (Leibniz Universität Hannover) -
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Frustrated Coulomb explosion of helium nanodroplets
Frustrated Coulomb explosion of helium nanodroplets
Interatomic Coulombic Decay (ICD) is an efficient energy transfer between atoms and molecules. Via ICD, the excess energy of a donor species is transferred to a neighboring acceptor systems which is thus ionized. ICD is a general mechanism, observed in many systems and have a central role in radiation damage as well as in spectroscopical analysis. In the case of helium nanodroplets, ICD takes place after simultaneous ionization and excitation of one helium atom within the cluster. The excited ion transfers its excess energy to another helium atom which is ionized as a result. After the energy transfer, the two ions repel each other due to Coulomb repulsion. We have shown that the subsequent Coulomb explosion of the droplets is hindered by charge hopping processes. I will present ICD, and how to describe it in helium nanodroplets. Finally, I will discuss the observed frustrated Coulomb explosion of helium nanodroplets.
Orateur: Nicolas Sisourat (LCPMR - Sorbonne Université) -
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Semiclassical modeling of an elementary chemical reaction inside helium nanodroplets
Experimental evidence for long-range electron transfer in alkali
clusters interacting with fullerene-doped helium nanodroplets was
reported by the Scheier group. Such reactions are hindered by the very
different propensities of the two reaction partners towards
solubility, alkalis being heliophobic while fullerenes are
heliophilic.In this contribution, we present a preliminary investigation of a
similar chemical situation, namely the formation of the ionic bond in
NaCl from the two initially distant neutral partners, by means of
semiclassical computational modeling. Our approach relies on
ring-polymer molecular dynamics simulations, that take into account
vibrational delocalization but ignore the superfluid character. A
reactive potential energy surface is designed from empirical
valence-bond theory, both neutral and ionic states being dressed by
the helium solvent with appropriate polarization forces for the ionic
state.Two conditions were considered for triggering the reaction, either
through an adiabatic collision between one isolated parner and the
solvated, other partner, or the progressive shrinking of the droplet
by solvent evaporation. In both cases, nuclear delocalization is found
to influence not only the solvent itself, but also the NaCl solute
upon its formation.Orateur: Florent Calvo (CNRS) -
308
Electro-association of two ultracold dipolar molecules into a tetramer
We explore the possibility of electro-association of two ultracold dipolar molecules into a long-range tetramer state, called a "field linked state". These particular states have been predicted in 2003 [1] in a static electric field and more recently in a microwave [2]. Such states have been confirmed by a recent experiment [3] in the resonances of ultracold molecular scattering.
We discuss the experimental feasibility of the process in terms of the adequate electric field ramp of a microwave to apply, different decay lifetimes, and in terms of the initial population starting with either thermal or quantum degenerate gases. The process shares a lot in common with magneto-association for which one can associate two ultracold atoms into a long-range diatomic molecule using a ramp of magnetic field [4]. This can be a primary step to form ground-state tetramers [5].
[1] A. V. Avdeenkov and J. L. Bohn, "Linking Ultracold Polar Molecules", Phys. Rev. Lett. 90, 043006 (2003)
[2] L. Lassablière and G. Quéméner, "Controlling the Scattering Length of Ultracold Dipolar Molecules", Phys. Rev. Lett. 121, 163402 (2018)
[3] Chen et al., "Field-linked resonances of polar molecules", Nature 614, 59 (2023)
[4] T. Köhler, K. Góral, and P. S. Julienne, "Production of cold molecules via magnetically tunable Feshbach resonances", Rev. Mod. Phys. 78, 1311 (2006) ; C. Chin, R. Grimm, P. Julienne, and E. Tiesinga, "Feshbach resonances in ultracold gases", Rev. Mod. Phys. 82, 1225 (2010)
[5] N. V. Vitanov, A. A. Rangelov, B. W. Shore, and K. Bergmann, "Stimulated Raman adiabatic passage in physics, chemistry, and beyond", Rev. Mod. Phys. 89, 015006 (2017)
Orateur: Goulven QUEMENER (CNRS)
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304
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Mini-colloques: MC13 Effets d’environnement et de solvatation sur les processus moléculaires: 3 Salle Louis Armand Est
Salle Louis Armand Est
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309
How the addition of salt destabilizes ionic liquid micellar suspension until phase separation
Understanding the fundamental mechanisms of self-organization and phase separation in molecular solutions is of utmost importance from the extraction perspective. Aqueous biphasic systems have recently attracted a lot of attention because of their lowest toxicity (i.e. large water cotent) with respect to classical solvents. The ionic liquid tributyltetradecylphosphonium chloride (P4,4,4,14Cl), mixed in a salt or acid aqueous solution, is a biphasic system. In pure water, it forms spherical micelles with a very low CMC, below 1 wt%, dispersed in the solution thanks to electrostatic repulsion.
However, even large amounts of P4,4,4,14Cl in water do not induce phase separation while the ternary system P4,4,4,14Cl/NaCl/H2O is a biphasic system for a large enough salt content [1]. It moreover displays a LCST (Lower Critical Separation Temperature) behavior, being monophasic at low T for a low salt content and experiencing phase separation when T is increased [2]. We combined structural investigation by small angle neutron scattering and specific chloride electrode that allows the determination of chloride counterion adsorption as a function of salt content and temperature. The T-induced phase separation has been ascribed to the T-increased adsorption onto the micellar surface of these additional chloride ions, thus lowering repulsive interactions between micelles, finally allowing coalescence and thus phase separation [3]. The increase of salt content at constant temperature, instead, leads to a direct screening of the interactions between micelles, eventually to phase separation in a similar manner. The comparison with a regulation charge theory shows how specific chloride adsorption controls the stability of the micellar solution.[1] N. Schaeffer, G. Perez-Sanchez, H. Passos, J.R.B. Gomes, N. Papaiconomou, J.A.P. Coutinho, , Phys. Chem. Chem. Phys. 21 (2019) 7462. https://doi.org/10.1039/c8cp07750a.
[2] N. Schaeffer, H. Passos, M. Gras, V. Mogilireddy, J.P. Leal, G. Pérez-Sánchez, J.R.B. Gomes, I. Billard, N. Papaiconomou, J.A.P. Coutinho, Phys. Chem. Chem. Phys. 20 (2018) 9838–9846. https://doi.org/10.1039/c8cp00937f.
[3] G. Meyer, R. Schweins, T. Youngs, J.F. Dufrêche, I. Billard, M. Plazanet, J. Phys. Chem. Lett. 13 (2022) 2731–2736. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c00146.Orateur: Marie PLAZANET (LIPhy-CNRS) -
310
Processus de relaxation électronique non-locaux d’ions solvatés
La photoionisation et la photoexcitation en couche interne, ainsi que les processus de relaxation qui s’ensuivent, sont à la base de nombreuses techniques spectroscopiques. Il est également crucial de comprendre ces phénomènes pour mieux appréhender l’interaction de la matière avec les rayonnements ionisants. Par rapport aux systèmes isolés, la présence d’un environnement (e.g. le milieu aqueux dans un contexte biologique) ouvre de nouvelles voies de relaxation possibles. Ces voies dites « non-locales » impliquent des molécules voisines (typiquement, la première couche de solvatation en milieu aqueux) dans la relaxation. Un exemple typique est l’ICD (Intermolecular Coulombic Decay), analogue à « deux centres » de l’effet Auger, dans lequel l’énergie libérée par le réarrangement électronique (un électron de valence comble la lacune interne) de l’entité ionisée initialement est transférée à une espèce voisine qui est à son tour ionisée.
Ces processus ont été longuement étudiés sur les systèmes modèles que constituent les agrégats atomiques et moléculaires. Il est cependant également possible de les étudier dans des systèmes plus proches de la réalité, par exemple directement en phase liquide, grâce aux techniques de spectroscopie d’électrons sur microjet liquide. Je présenterais ici des résultats récents sur l’ICD résonante et non-résonante de cations at anions monoatomiques (K+, Ca2+, Sc3+, Br-…) en milieu aqueux. Les rapports de branchement entre les processus locaux (Auger) et non-locaux, qui sont ici en compétition, varient largement selon les ions. Je montrerais également des exemples des applications de l’ICD en tant que nouvelle spectroscopie, par exemple pour sonder la formation de paires d’ions ou la structure électronique de la première couche de solvatation.
Orateur: Rémi Dupuy (LCPMR - Sorbonne Université, CNRS) -
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Etude de la photochimie UV de la molécule de CH3I. Des matrices cryogéniques aux glaces d’eau
La molécule d’iodométhane, CH3I, émise naturellement par les microorganismes, est présente à la surface des océans. Le devenir atmosphérique des espèces organo-iodées ont fait l’objet de nombreuses recherches puisque ces composés contribuent d’une part à la destruction de la couche d’ozone, et d’autre part ils se photolysent pour former des aérosols. Alors que les processus en phase homogène sont connus, les mécanismes hétérogènes impliqués sont encore aujourd’hui mal compris. Par ailleurs, CH3I est un des composés majeurs qui peut être relâché en situation accidentelle d’une installation nucléaire. Les modèles actuellement développés par les agences de sureté nucléaire prédisent incorrectement sa dispersion et son devenir dans l’atmosphère. Dans ce contexte, il devient primordial de comprendre les mécanismes d’adsorption de CH3I notamment sur la glace d’eau, un des vecteurs du transport atmosphérique et de l’influence de la glace sur les processus de photodégradation. Une des techniques de choix est la cryogénie couplée à la spectroscopie IRTF et aux irradiations UV. Une première description de ces effets sera présentée au cours de cet exposé. La différence entre les effets d’environnement sera discutée.
Orateur: Stéphane COUSSAN (UMR7345 CNRS Aix-Marseille université) -
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Vibrational Circular Dichroism as a probe of the structure of crystals
Vibrational circular dichroism (VCD) is the tiny difference in absorption between right- and left-circular polarised light in the infrared range for a chiral molecule. Besides its use for determining absolute configurations of chiral molecules,(1) it is a very subtle probe of molecular conformations, aggregation, and interactions with the solvent.(2-3)
Although VCD has been mostly applied so far to species in solution, recent theoretical advances now allow obtaining reliable spectra also in the solid phase.(4-5) There, the sensitivity of VCD to structural factors makes it a good probe of the crystal structure, in particular polymorphism that plays a major role in pharmaceutical sciences. We present here recent results on the interpretation of VCD spectra crystal of alcohols or diols in the solid state. We show that the crystal symmetry influences the non-local contributions to the VCD spectrum, which strongly modify its shape. Finally, we will show how VCD spectra can be taken as a signature of the formation of co-crystals between a chiral anti inflammatory drug, Naproxen, and an amino-acid.- Merten, C. Recent Advances in the Application of Vibrational Circular Dichroism Spectroscopy for the Characterization of Asymmetric Catalysts. European Journal of Organic Chemistry 2020, 2020 (37), 5892-5900.
- Le Barbu-Debus, K.; Bowles, J.; Jähnigen, S.; Clavaguéra, C.; Calvo, F.; Vuilleumier, R.; Zehnacker, A. Assessing cluster models of solvation for the description of vibrational circular dichroism spectra: synergy between static and dynamic approaches. Physical Chemistry Chemical Physics 2020, 22 (45), 26047-26068.
- Buffeteau, T.; Cavagnat, D.; Bouchet, A.; Brotin, T. Vibrational absorption and circular dichroism studies of (-)-camphanic acid. Journal of Physical Chemistry A 2007, 111 (6), 1045-1051.
- Jähnigen, S.; Scherrer, A.; Vuilleumier, R.; Sebastiani, D. Chiral Crystal Packing Induces Enhancement of Vibrational Circular Dichroism. Angewandte Chemie-International Edition 2018, 57 (40), 13344-13348.
- Jahnigen, S.; Zehnacker, A.; Vuilleumier, R. Computation of Solid-State Vibrational Circular Dichroism in the Periodic Gauge. Journal of Physical Chemistry Letters 2021, 12 (30), 7213-7220.
Orateur: Anne ZEHNACKER-RENTIEN (ISMO) -
313
Superfluid 4He droplet coalescence dynamics: Can quantum vortices be nucleated?
In this work we study the possibility for quantum vortex nucleation upon droplet coalescence. Quantum vortices have been experimentally observed in coherent X-ray diffraction of individual very large droplets (VLD, ~108 to 109 4He atoms) formed in the expansion of liquid helium jets into vacuum. Vortex nucleation was attributed to shear forces on the walls of the nozzle. Another possibility to nucleate vortices could be droplet coalescence, in which angular momentum L into the merged droplet depends on the collision impact parameter and velocity. For smaller droplets, which are formed upon helium gas expansion into vacuum, this would be the only possibility to nucleate quantum vortices. We have simulated the collision of superfluid 4He droplets using 4He-TDDFT. This is a semi-empirical method describing the helium density at equilibrium (static version) or during real time dynamics, which has proven to be the best compromise between accuracy and the ability to simulate superfluid helium droplets of realistic size , Francesco et al. [1] . A realistic simulation of the collision process between VLD is beyond the TDDFT possibilities. We have focused instead on collisions of smaller droplets of 500 atoms, in order to explore the possibility for vortex nucleation in these smaller droplets. In addition, this could shed some light on the ability for this mechanism to contribute to vortex nucleation in VLD, using rescaled dimensions. The relative droplet velocity was taken from the (small) droplet velocity spread observed in a recent experiment by Kolatzki et al. [2] (Δvjet/v ≈ 1 %). The velocity of the jet (30 (0.3)< vjet < 300(3) m ps−1) depends on the expansion conditions, with the higher velocities corresponding to the smaller droplet range. Various values of the impact parameter and relative velocity have been tested. For instance, b=3R/2 (R being the sharp density radius of He500, R=17.6 Å) and v=20 m/s, corresponding to L=1850 ħ, should give the possibility to nucleate one vortex (L=Nħ for a linear vortex going through the center of a cylindrical droplet of N atoms). We find that not only one, but two vortices were nucleated, at the contact points between the colliding droplets. This surprising result is general for the range of impact parameters and velocities explored. It originates from the distortions of the merged droplet and the vortex location away from its center. Two different estimates of the amount of angular momentum contained in these vortices in the distorted drop are presented and discussed.
[1] Francesco Ancilotto et al,International Reviews in Physical Chemistry,
36:4.621, 707,2017
[2] Katharina Kolatzki et al Phys. Fluids 34, 012002 (2022)Orateur: Ernesto Garcia Alfonso (PhD student) -
314
Theoretical study of primary ozonolysis in oleic acid aerosol phase
In the Earth atmosphere, the chemical and structural processing of each reaction steps influence the overall outcome of the products and understanding of each step requires vigorous investigation molecular level. Therefore, in this study, the formation of the primary ozonide generated by the attack of the bond of oleic acid is studied in gas and aerosol phases using ab initio, density functional and classical modelling approaches. The presence of water is also considered. Reaction rates are obtained using variational transition state theory including tunnelling effect. For surface processes, both Eley-Rideal and Langmuir-Hinshelwood mechanisms are considered. The results are compared to available experimental obtained in both laboratory and field conditions.
Orateur: Denis DUFLOT (Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM) — UMR 8523 — Univ. Lille, F-59000 Lille, France) -
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A system-bath model to investigate the interaction of a molecule with its environment
Addressing the dynamics of molecular systems coupled to an environment is a challenging task, especially when considering finite-size environments that can be affected by their interactions with the smaller system. In such cases, the usual open quantum system methods and approximations might fail as they assume that the environment (or “bath”) is infinite, always at thermodynamical equilibrium, and not perturbed by the system [1]. In particular, they do not take into account the fact that finite environments can be heated by the excitation of the system and evolve out of equilibrium. For example, such situations may occur when studying molecules in clusters or matrices [2], or when probing small molecules trapped in fullerenes [3] or clathrates [4].
In this context, we are developing a new theoretical model based on a system-bath approach where we consider a one-dimensional system (e.g. one vibrational mode) interacting with a large harmonic bath (~100-1000 modes). The system and its coupling to individual bath modes are treated as rigorously as possible but the bath part of the Hamiltonian is simplified with its modes being replaced by a ladder of effective quantum energy states which describes the energy stored in the bath. This model allows us to study the relaxation dynamics of the system at finite temperature and to analyze the response of the bath to the system’s excitation. In this contribution, we will present the first results obtained by using this method on a system taken from [5], where an O-H stretching mode interacts with a “surface” modeled by a set of 40 to 800 harmonic oscillators.References:
[1] A. Riera-Campeny, A. Sanpera, and P. Strasberg, Phys. Rev. E 105, 2022
[2] Z. Bacic, D. Benoit, M. Biczysko, J. Bowman, et al., Farad. Disc. 212, 2018
[3] S. Iwamatsu, T. Uozaki, K. Kobayashi, S. Re, et al., J. Am. Chem. Soc. 126, 2004
[4] E. Dartois, Icarus 212, 2011
[5] F. Bouakline, F. Lüder, R. Martinazzo and P. Saalfrank, J. Phys. Chem. A 116, 2012Orateur: Loïse Attal (Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay, CNRS, Université Paris-Saclay)
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Mini-colloques: MC16 Fluides classiques et quantiques hors équilibre: 2 Salle Henriette Faraggi
Salle Henriette Faraggi
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Kardar Parisi Zhang universal scaling in the coherent emission of polariton condensates
The Kardar–Parisi–Zhang (KPZ) equation[1], originally derived to describe the kinetic roughening of growing interfaces is a stochastic non-linear differential equation that applies to a large class of non-equilibrium systems, ranging from the growth of nematic liquid crystal clusters, of bacterial colonies, or the propagation of a combustion front. Interestingly the spatial and temporal correlation functions of h(r,t) show universal scaling laws, with critical exponents that only depend on the dimensionality whatever the system .
Recently, it was discovered that the phase dynamics in the coherent emission of out of equilibrium condensates of light (named polariton condensates) also obeys the celebrated KPZ equation [2-4]. Interestingly, since the phase is a compact variable, periodically defined between 0 and 2 the physics is enriched by the possible emergence of vortices. Actually even in 1D, where usually vortices are excluded, exotic spatio-temporel vortices have been predicted to play a role [5].
In the present talk, after a general introduction to the system, I will explain how we could generate extended 1D polariton condensates [6] and probe their first order coherence. We demonstrate that the decay of the first order coherence in space and time indeed presents universal scaling laws characteristic for the KPZ universality class in 1D [7]. The influence of vortices in these experiments will be discussed.
Our work highlight the profound difference between driven-dissipative out of equilibrium condensates and their equilibrium counterparts. We anticipate that this physics should also be relevant in extended vertical cavity lasers.
References
1. M. Kardar, G. Parisi, and Y. C. Zhang, Dynamic Scaling of Growing Interfaces, Phys. Rev. Lett. 56, 889 (1986)
2. E. Altman, et al., Two-Dimensional Superfluidity of Exciton Polaritons Requires Strong Anisotropy, Phys. Rev. X 5, 011017 (2015).
3. K. Ji, et al., Temporal coherence of one-dimensional nonequilibrium quantum fluids, Phys. Rev. B 91, 045301 (2015).
4. L. He, et al., Scaling properties of one-dimensional driven-dissipative condensates, Phys. Rev. B 92, 155307 (2015)
5. L. He et al, Space-time vortex driven crossover and vortex turbulence phase transition in one-dimensional driven open condensates. Physical review letters 118, 085301 (2017).
6. F. Baboux, et al., Unstable and stable regimes of polariton condensation, Optica 5, 1163 (2018)
7. Q. Fontaine et al, Kardar-Parisi-Zhang universality in a one-dimensional polariton condensate, Nature 608, 687 (2022)Orateur: Jacqueline BLOCH (C2N) -
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Toward the observation of Hawking Radiation in a polariton fluid
Analog Gravity experiments aim at observing effects initially predicted by quantum field theory on curved space time such as the Hawking effect and rotational superradiance in systems at laboratory scales with similar dynamics [1]. The high tunability of such systems enable to shed light on phenomena that are either currently eluding our comprehension or simply unreachable by their very nature. Analog systems are the theater of rich physics coming from both condensed matter and quantum fields on curved spaces that yield many interesting crossovers in the physical interpretations.
Here we propose to experimentally investigate the Hawking effect in a quantum fluid of polaritons [2] based on the knowledge that the basic process at the heart of the Hawking effect leads to the emission of sound waves from the sonic horizon in a transsonic fluid flow. We use a SLM to easily create and tune an acoustic black hole including an event horizon on which we send controlled Bogoliubov perturbations in order to stimulate the Hawking effect. The modes scattered by the horizon should enable to recover the scattering matrix of the black hole, which is a step towards the measurement of the spontaneous Hawking effect.
Orateur: Kévin FALQUE (Laboratoire Kastler Brossel) -
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Making correlations between photonic orbital angular momenta by interaction of optical vortices with a vapor
Optical vortices, like Laguerre-Gauss beams, have the particularity of propagating with a helical wavefront. In addition to the polarization and the wave vector, they carry a so-called Orbital Angular Momentum (OAM). This quantity is quantized and represents a challenge for quantum technologies.
In our approach, we are interested in the conversion of the OAM during a four-wave mixing realized in a rubidium vapor. By choosing the right atomic transitions, we can convert two input waves carrying OAMs into two new wave pair between which the total OAM is distributed.
In particular, we study two configurations, asymmetric and symmetric diamant schemes, where the distribution of OAMs and the correlation between the output OAMs will be different.
This work opens a way to the study of OAM-entanglement and to OAM use in quantum applications.
Orateur: M. Myrann ABOBAKER (LCPMR) -
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Superfluid fraction in an interacting spatially modulated Bose-Einstein condensate
At zero temperature, a Galilean-invariant Bose fluid is expected to be fully superfluid.
We investigate theoretically and experimentally the quenching of the superfluid
density of a dilute Bose-Einstein condensate due to the breaking of translational (and
thus Galilean) invariance by an external 1D periodic potential. Both Leggett’s bound
[1] fixed by the knowledge of the total density and the anisotropy of the sound velocity
provide a consistent determination of the superfluid fraction. The use of a large-period
lattice emphasizes the important role of two-body interactions on superfluidity.[1] A.J. Leggett, “Can a solid be ”superfluid”?” Phys. Rev. Lett. 25, 1543–1546 (1970)
Orateur: Guillaume Chauveau (Laboratoire Kastler Brossel) -
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Collective dynamics in RF-dressed quantum gases
English
Just like Van der Waals gases, quantum gases have some universal thermodynamic properties in deviation to the ideal gas. A dilute quantum fluid of neutral particles has an equation of state involving very few intrinsic parameters. The use of mixtures – classical or quantum – of two Bose-Einstein condensate allow for the diminution or even cancellation of some terms in the dynamical equation of the fluid. In this context, it was experimentally observed that the physics of an ultra-cold RF-dressed atomic gas (quantum coherent mixture) is much richer than in absence of RF coupling. On the one hand, collective effects usually insignificant – three body elastic interactions – rise and dominate the mean-field properties of the fluid [1]. On the other hand, some beyond-mean field effects - interaction renormalisation and quantum vacuum energy - are modified and enhanced [2]. Consequently, RF dressed quantum gases are good candidates to observe unique dynamics.References :
[1] A. Hammond, L. Lavoine, T. Bourdel, Tunable 3-body interactions in coherently driven two-component Bose-Einstein condensate, Phys. Rev. Lett. 128, 083401 (2022).
[2] L. Lavoine, A. Hammond, A. Recati, D.S. Petrov, T. Bourdel, Beyond-mean-field effects in Rabi-coupled two-component Bose-Einstein condensate, Phys. Rev. Lett. 127, 203402 (2021).French :
Tout comme les gaz de Van der Waals, les gaz quantiques ont des propriétés thermodynamiques universelles et proches de celles du gaz parfait. Un fluide quantique dilué de particules neutres a une équation d’état faisant intervenir peu de paramètres intrinsèques. L’utilisation d’un mélange - quantique ou classique - de deux condensats de Bose-Einstein permet de diminuer voire d’annuler complètement certains termes de l’équation dynamique du fluide. Dans ce contexte, il a été observé expérimentalement que la physique d’un gaz atomique habillé par un champ radio-fréquence (mélange quantique) est beaucoup plus riche qu’en l'absence du champ. D’une part, des effets collectifs habituellement négligeables - interactions élastiques à trois corps - apparaissent et deviennent prépondérant dans les propriétés de champ moyen du fluide [1]. D’autre part, des effets au-delà du champ moyen - renormalisation des interactions et énergie quantique de point zéro - sont modifiés et exaltés [2]. En conséquence, les gaz quantiques habillés par radio-fréquence sont de très bons candidats pour observer des propriétés dynamiques uniques.Orateur: Alfred Hammond (Laboratoire charles Fabry)
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Mini-colloques: MC17 Astrophotonique: optique moderne pour l’instrumentation astronomique: 2 Salle Yvette Cauchois
Salle Yvette Cauchois
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Astrophotonique pour l’interférométrie visible
FIRST (fibered imager for a single telescope) est un spectro-interféromètre travaillant dans le visible, développé par l’Observatoire de Paris, et installé sur la plateforme d’optique adaptative extrême SCExAO au télescope Subaru à Hawaii. Cet instrument transforme le télescope de 8m en un interféromètre, en recombinant les faisceaux de sous-pupilles définies dans la pupille du télescope. Sur le principe du masquage de pupille, l’information portée par chaque base est récupérée de façon indépendante. Les observables interférométriques peuvent être précisément étalonnées, et par comparaison à un modèle, permettent de restaurer l’information à des échelles spatiales inférieures à la limite de diffraction du télescope. Cette technique est rendue possible par l’utilisation de l’optique guidée : des fibres optiques monomodes permettent le transport des faisceaux jusqu’à leur recombinaison. Dans une première version de l’instrument, les faisceaux étaient recombinés à la façon des trous d’Young, avec multiplexage par fréquence spatiale (recombinaison dite non redondante). Afin de renforcer la sensibilité, la robustesse et la stabilité de la recombinaison, le cœur des développements menés actuellement porte sur le passage à une recombinaison par optique intégrée.
En collaboration avec l’IPAG et TEEM photonics, nous cherchons à développer une puce haute performance travaillant entre 600 et 850nm, fabriquée suivant le procédé d’échange d’ions Potassium dans un substrat en silice. Les prototypes fabriqués jusqu’à présent permettent la recombinaison de 5 faisceaux. L’architecture des puces comprend des séparateurs de faisceaux Y pour diviser les faisceaux, ainsi que des jonctions Y ou des coupleurs directionnels pour la recombinaison de chacune des paires. Les difficultés majeures rencontrées jusqu’à présent concernent l’efficacité de transmission de ces puces aux longueurs d’onde visible, ainsi que leur comportement en fonction de la polarisation et en fonction de la longueur d’onde, notamment dans les coupleurs directionnels.
Dans cette présentation, je passerai en revue les derniers résultats obtenus avec nos prototypes de puces pour le visible, ainsi que les autres voies que nous explorons, notamment vers des guides à plus fort contraste d’indice pour un meilleur confinement, des guides imprimés en volume grâce à la technologie de photo-inscription laser, ou encore l’hybridation avec des puces en matériau électro-optique permettant une modulation de la phase sur la puce elle-même.
Orateur: Elsa Huby (LESIA - Observatoire de Paris) -
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Interféromètre à conversion de fréquences ALOHA en bande L : tests en laboratoire et intégration au réseau de télescopes CHARA
En astronomie, l’utilisation de réseaux de télescopes permet d’observer des objets stellaires avec une haute résolution angulaire. Pour les astronomes, les domaines de l’infrarouge thermique sont particulièrement intéressants pour l’observation d’objets froids. Cependant, les éléments optiques des instruments à ces longueurs d’ondes ont leurs propres rayonnements thermiques et il devient alors nécessaire de mettre en place des systèmes cryogéniques complexes et coûteux, ainsi que des infrastructures adéquates, souvent difficiles à mettre en œuvre de par leurs grandes dimensions.
L’approche proposée par notre équipe au laboratoire XLIM à Limoges consiste à associer l’optique non linéaire et l’optique guidée pour l’astronomie haute résolution. Le projet ALOHA (Astronomical Light Optical Hybrid Analysis) consiste à mettre en oeuvre un interféromètre à liaisons fibrées à conversion de fréquences dans l’infrarouge thermique. Ces travaux s’appuient sur un ensemble d’études antérieures et concernent le développement en laboratoire, puis l’intégration à CHARA (Center for High Angular Resolution Astronomy, USA CA) de l’interféromètre du projet ALOHA à 3,5μm (en bande L), en collaboration avec la Georgia State University. Des dispositifs originaux d’asservissement des longueurs des fibres, nécessaires en interférométrie fibrée longue distance, ont été développés et caractérisés par notre équipe avant d’être intégrés in situ. L’acquisition de franges d’interférence sur le ciel, sans conversion de fréquences, a été réalisée avec succès. Une amélioration significative du contraste des franges et du rapport signal à bruit est démontrée expérimentalement avec l’activation des systèmes d’asservissement. Des tests de stabilité mécanique et thermique ont ensuite été réalisés lors de l’intégration des modules de conversion dans deux télescopes de CHARA, en prévision des futurs tests de conversion de fréquences et l’obtention de franges d’interférence sur le ciel à 3,5μm du projet ALOHA.
Orateur: Julie Magri (XLIM Limoges / maintenant ALPhANOV) -
323
Utilizing state of the art technologies for a modern stellar intensity interferometer: recent results and ongoing developments of the I2C instrument
A modern implementation of the Hanbury Brown and Twiss effect in astronomy, otherwise known as stellar intensity interferometry, offers a powerful and robust capability for performing high angular resolution measurements of stellar targets at short optical wavelengths. Advances in the capabilities of detectors and high time resolution electronics have revived interest in the technique prompting many groups world-wide to pursue intensity interferometry instruments. Here, we provide an overview and ongoing developments of the I2C stellar intensity interferometer. The I2C instrument has been successfully deployed at several observation sites world-wide, and primarily with facilities available on the Calern Plateau site of the Observatoire de la Côte d’Azur. In this talk we will share recent results and discuss future plans that aim to substantially improve the sensitivity and scientific capability of the instrument.
Orateur: Nolan MATTHEWS (Institut de Physique de Nice) -
324
Démonstration de corrélation de signaux GHz pour interférométrie hétérodyne à 10.6 um
L'étude de la formation des planètes et des disques protoplanétaires autour des jeunes étoiles nécessite des résolutions angulaires inférieures à 1 milli-arcseconde qui ne peuvent être atteintes qu'en utilisant l'interférométrie. L'initiative Planet Formation Imager a exprimé le besoin de construire un interféromètre moyen infrarouge avec des lignes de bases kilométriques et au moins une dizaine de télescopes. En comparaison, le Very Large Teslescope Interferometer est capable de combiner quatre télescopes sur des lignes de base allant jusqu'à 130 m avec une approche d'interférométrie directe dans la bande [8,13] μm. L'interférométrie directe utilise des lignes à retard encombrantes pour recombiner la lumière provenant des différents télescopes et mesurer la visibilité interférométrique des objets observés.
L'interférométrie hétérodyne utilise une approche différente qui consiste à détecter le battement hétérodyne entre le signal astronomique et un oscillateur local au niveau de chaque télescope. Les signaux résultants sont des signaux radiofréquences (RF) qui peuvent être transmis de manière numérique ou analogique pour être corrélés. Contrairement aux systèmes directs, l'interférométrie hétérodyne peut être étendue à N télescopes sans augmentation majeure des niveaux de bruit, ce qui la rend compétitive pour l'étude de la formation des planètes malgré sa sensibilité plus faible. Le Rapport Signal à Bruit de la chaîne de détection dans le régime limité par le bruit de fond est proportionnel à la racine carrée de sa bande passante électrique √∆ν. Ainsi, les détecteurs infrarouges et les corrélateurs à large bande passante (≥ 10 GHz) représentent des technologies clés pour le développement de l'interférométrie hétérodyne.
Les travaux présentés ici portent sur la caractérisation d’un banc de démonstration pour la corrélation photonique de deux signaux gigahertz provenant du battement hétérodyne entre un canal "science" et un laser à cascade quantique (QCL) à 10,6 um. La source "science" peut être un laser ou un corps noir (large-bande). Le battement hétérodyne est détecté indépendamment par deux détecteurs PVI-4TE-10.6 HgCdTe. Les signaux RF résultants, s1 et s2, qui couvrent une largeur de bande d’environ 1 GHz, sont ensuite encodés sur un laser fibré continu à 1,5 μm en utilisant des modulateurs d'intensité avec une bande passante supérieure à 10 GHz. Des modulateurs acousto-optiques sont utilisés pour décaler les signaux en fréquence afin d'améliorer le schéma de détection. Enfin, les deux faisceaux de 1,5 μm portant les deux signaux RF sont combinés à l'aide d'un coupleur 50/50 et détectés sur une photodiode "balanced" pour récupérer le signal de corrélation ⟨s1s2⟩ qui porte l'information interférométrique. Le montage décrit précédemment sera amélioré en remplaçant les détecteurs HgCdTe par des détecteurs à puits quantiques dont la bande passante électrique peut atteindre plusieurs dizaines de gigahertz.Orateur: Tituan Allain (IPAG) -
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Synthèse d'ouverture par hétérodynage optique ultra-rapide : une nouvelle approche ?
L’astrophotonique regroupe la conception, l'étude et la fabrication de composants photoniques permettant, au sens large, la manipulation de signaux optiques d’intérêt en astronomie (génération, transmission, traitement ou conversion) [1]. Ces composants, fibrés ou intégrés, permettent d’améliorer la compacité, la stabilité ou encore la sensibilité des dispositifs mais ouvrent également de nouvelles perspectives avec, notamment, le recours à des méthodes et des technologies issues d’autres disciplines. Un exemple récent est l’apport des détecteurs quantiques modernes à l’interférométrie d’intensité pour la mesure des diamètres stellaires apparents [2]. Cet exemple est loin d’épuiser les apports potentiels de la photonique à l’astronomie instrumentale et en particulier à l’interférométrie stellaire.
Dans cette présentation je présente une nouvelle approche de l’interférométrie optique par hétérodynage [3], basée sur un peigne de fréquences (ie une source femtoseconde stabilisée) et une détection cohérente résolue spectralement. Ce concept s’inspire directement de la synthèse d’ouverture implémentée dans les réseaux de radiotélescopes et offre, en principe, les mêmes avantages de synchronisation sur une référence temps-fréquence et de déploiement à grande échelle. Le recours à des impulsions courtes permet également de s’appuyer sur trois « briques » technologiques issues de l’optique ultra-rapide : les fibres photoniques à dispersion contrôlée, la conversion de fréquence par somme/différence de fréquence et les façonneurs d’impulsions courtes. Ces trois dispositifs permettent de décaler le peigne de fréquence vers des longueurs d’onde d’intérêt tout en conservant un contrôle programmable, précis et rapide (non inertiel) de la phase optique et du délai de groupe des impulsions optiques. Ces dernières propriétés sont de nature à grandement simplifier les contraintes techniques relatives à la stabilisation du délai et de la phase différentiels entre télescopes – laquelle est l'une des pierres angulaires de l’interférométrie optique.
L’exposé détaille les performances théoriques attendues, notamment en terme de rapport signal-à-bruit, d’un interféromètre à deux télescopes, basé sur ce principe.
Références :
[1] S. Minardi, R. J. Harris, and L. Labadie, "Astrophotonics: astronomy and modern optics," Astron. Astrophys. Rev. 29, 6 (2021).
[2] W. Guerin, J.-P. Rivet, M. Fouché, G. Labeyrie, D. Vernet, F. Vakili, and R. Kaiser, "Spatial intensity interferometry on three bright stars," Mon. Not. R. Astron. Soc. 480, 245–250 (2018).
[3] D. D. S. Hale, M. Bester, W. C. Danchi, W. Fitelson, S. Hoss, E. A. Lipman, J. D. Monnier, P. G. Tuthill, and C. H. Townes, "The Berkeley Infrared Spatial Interferometer: A Heterodyne Stellar Interferometer for the Mid-Infrared," Astrophys. J. 537, 998–1012 (2000)Orateur: Nicolas FORGET (Institut de Physique de Nice (INPHYNI), Université Côte d'Azur, CNRS)
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Mini-colloques: MC21 Matériaux quantiques : des prédictions à l'observation: 2 Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
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Topological amorphous solids: from flat-bands to chiral spin liquids
Topological materials are often predicted using crystal symmetries, although they don’t rely on them to exist. Our methodology thus excludes all amorphous materials, which are ubiquitous in technology and can display properties beyond those of crystals. In this talk I will present recent theoretical progress and experimental signatures of amorphous topological solids. I will discuss how to predict them efficiently, and their potential to host novel and controllable topological phenomena, featuring flat-bands and gapped chiral spin-liquids.
Orateur: Adolfo G. GRUSHIN (Institut Néel, CNRS) -
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Spin-polarized Majorana zero modes in penta-silicene nanoribbons
We report the possibility of obtaining Majorana zero modes (MZMs) in straight, highly perfect, and massively aligned atom-thin penta-silicene nanoribbons (p-SiNRs) with a very high aspect ratio, purely composed of silicon pentagonal building blocks, and grown by molecular beam epitaxy on the (110) surface a silver crystal template2,3. They could constitute the experimental realization of the generic Kitaev toy model3,4. The spinless and full spin p-SiNRs with p-wave superconducting pairing reveal the emergence of topologically protected MZMs at opposite ends of the p-SiNRs. Besides the first nearest neighbor hopping term and p-wave superconducting pairing we consider an external magnetic field perpendicularly applied to the nanoribbon plane and an intrinsic Rashba spin-orbit coupling. The dispersion relation profiles show the closing and reopening of the superconducting gap for only one spin component, suggesting a spin-polarized topological phase transition (TPT). Along with this TPT, the energy spectrum as a function of the p-SiNR chemical potential exhibits zero-energy states and preferential spin direction. It is associated with nonoverlapping wave functions well-localized at the opposite extremities of the superconducting p-SiNRs. Hence, we show theoretically that the p-SiNRs could constitute a tantalizing new platform for MZMs.
- Jorge I. Cerda, Jagoda Sławinska, Guy Le Lay, Antonela C. Marele, Jose M. Gomez-Rodrıguez, and Marıa E. Davila, Nature Comm., 7, 13076 (2016).
- R. Pawlak et al., PNAS, 117, 228 (2020).
- A. Y. Kitaev, Physics-Uspekhi, 44, 131 (2001).
- R. C. Bento Ribeiro et al., Phys. Rev. B 105, 205115 (2022).
Orateur: Guy LE LAY (PIIM - CNRS Aix-Marseille Université) -
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Hidden magnetic texture in the pseudogap phase of high-Tc superconducting YBa2Cu3O6+x
Despite decades of intense researches, the enigmatic pseudo-gap (PG) phase of superconducting cuprates remains an unsolved mystery. In the last 15 years, condensed matter physicists discovered that this phase hosts symmetry breaking states as an intra-unit cell (or q=0) magnetism, interpreted in terms of loop current patterns [1], preserving lattice translation (LT) and breaking time-reversal and parity symmetries, followed, upon cooling, by an additional incipient charge density wave [2] breaking the LT symmetry. However, none of these states can (alone) account for the partial gapping of the Fermi surface.
Our recent polarized neutron diffraction measurements in YBa2Cu3O6+x single crystals with different hole-doping levels [3-4] reveal a novel hidden bi-axial magnetism that may be crucial to elucidate the PG puzzle. This short-range magnetism (typical correlations over 5-6 unit cells), carried by the CuO2 layers, settles in at the PG onset temperature. Distinct from the q=0 magnetism, its planar propagation wave vector is (π,0)≡(0,π), yielding a (2x2) quadrupling of the magnetic unit cell (q=1/2 magnetism). It further displays a strong out-of-plane anisotropy of the associated magnetic moments, predominantly pointing perpendicular to the CuO2 planes.
We discovered that the q=0 and q=1/2 magnetisms could be embedded within a single complex and highly spread-out magnetic texture. This phase could correspond to the smallest possible domain of LC supercell breaking LT, recently proposed to account for the PG opening [5]. The existence of such a broad magnetic texture reveals an unexpected aspect of the PG physics that may modify our understanding of that state of matter.
[1] P. Bourges, D. Bounoua, Y. Sidis, C.R. Phys 22, 1 (2021).
[2] B. Keimer et al., Nature 518, 179 (2015).
[3] D. Bounoua et al., Comm. Phys 5, 268 (2022)
[4] D. Bounoua et al, arXiv:2302.01870 (2023), under review in Phys. Rev. B.
[5] C.M. Varma, Phys. Rev. B, 99, 224516 (2019).Orateur: Dalila Bounoua (Laboratoire Léon Brillouin, CEA-Saclay) -
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Twisted bilayer and trilayer graphene
The overlay of graphene monolayers with a relative twist has experimentally led to a plethora of correlated physics: superconductivity, correlated insulating phases, nematicity, integer and fractional Chern insulators, spontaneous flavor and magnetic polarization, orbital ferromagnetism or strange-metal behavior. All these phenomena originate from the strong band structure remodeling due to interlayer tunneling combined with a twist. For the bilayer case, at some “magic” angle around 1°, the spectrum becomes relatively flat, thereby considerably enhancing the relative strength of Coulomb interactions and triggering interaction-dominated phases.
Twisted materials offer a playground for investigating band features at accessible doping. We have shown that the band structure of twisted bilayer graphene exhibits a rapidly evolving orbital magnetic response that alternates between paramagnetic and diamagnetic. We have also identified in the trilayer case a new class of van Hove singularities with non-trivial exponents and a scaling anomaly at a topological Lifshitz transition. For three layers in a staircase configuration where moiré of moiré pattern emerges, we have devised a wavefunction approach that captures the low-energy physics with a non-abelian gauge field.
Orateur: Christophe Mora -
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Microwave properties of superconducting 2D BSCCO-2212
Two-dimensional superconductors confront physicists with new challenges by exhibiting a wide variety of unconventional behaviors not captured by the BCS theory. In particular, two-dimensional superconductors are expected to show signs of the Berezinksi-Kosterlitz-Thouless transition (BKT) in their superconducting properties such as resistivity and superfluid stiffness. The cuprate family compounds share a common layered crystal structure with two-dimensional superconducting CuO2 planes interacting with charge storage layers. Among the various cuprates, BiSrCaCuO (BSCCO-2212) is particularly interesting to address the issue of 2D superconductivity. Because it has a natural cleavage plane between the BiO planes, this material can be exfoliated down to 1u.c using the standard scotch-tape exfoliation method [1]. Surprisingly, the 1u.c. thick layer maintains a superconducting critical temperature very similar to that of the bulk material. In 2017, Sterpetti et al [2] reported an electrostatic doping method to explore the electronic phase diagram of exfoliated 2D BSCCO-2212 flakes. Their DC transport measurements showed the influence of doping on both on the superconducting transition temperature (Tc) and the crossover temperatures separating the different regions in the normal state (pseudogap, strange metal and Fermi liquid phases). However, no electrodynamic property of 2D exfoliated superconducting BSCCO-2212 has been investigated so far.
In this talk, I will discuss the fabrication and measurement of 2D BSCCO-2212 1u.c flakes in both DC and microwave regime. Our DC resistivity curves are consistent with the work of Sterpetti et al. and our analysis of I-V curves suggests some evidence of BKT physics, which we have further investigated in the microwave frequency range through transmission measurements. The complex conductivity of the BSCCO-2212 1u.c flakes in the [1GHz,20GHz] has been extracted as a function of temperature. The superfluid stiffness derived from the imaginary part of the conductivity shows a jump near Tc, which is the expected hallmark of the BKT transition. A peak in the real part of the complex conductivity is simultaneously observed, which we associate with the dissociation of the vortex-antivortex pairs.[1]Novoselov, Kostya S., et al. science 306.5696 (2004): 666-669.
[2] Sterpetti, Edoardo, et al. Nature communications 8.1 (2017): 2060.Orateur: Zoe Velluire (LPEM, ESPCI) -
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Misfit layer compounds as ultra-tunable field effect transistors: from charge transfer control to emergent superconductivity
Misfit layer compounds are heterostructures composed of bilayer rocksalts stacked with few layers transition metal dichalcogenides. They host Ising superconductivity, charge density waves and good thermoelectricity. The design of misfits emergent properties is, however, hindered by the lack of a global understanding of the electronic transfer among the constituents. Here, by performing first principles calculations, we unveil the mechanism controlling the charge transfer and demonstrate that rocksalt bilayers are always donor and dichalcogenides acceptors. We show that misfits behave as a periodic arrangement of ultra-tunable field effect transistors where chargings as large as $\approx5\times10^{14}$ e$^-$cm$^{-2}$ can be reached and controlled efficiently by the La-Pb alloying in the rocksalt. Finally, we identify a strategy to design emergent superconductivity and demonstrate its applicability in (LaSe)$_{1.27}$(SnSe$_2$)$_2$. Our work paves the way to the synthesis and design of misfit compounds with tailored properties.
Orateur: Ludovica Zullo (Sorbonne Université and Università degli studi di Trento)
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Mini-colloques: MC23 Plasmas industriels pour la microélectronique et les nouveaux matériaux: 1 Salle Cécile DeWitt-Morette
Salle Cécile DeWitt-Morette
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Physique des décharges capacitives radiofréquence
Les plasmas radiofréquence sont massivement utilisés pour la gravure et le dépôt de couches minces en microélectronique et dans l’industrie des écrans plats. Il existe plusieurs manières de concevoir les réacteurs plasmas mais les plus largement utilisés, et en apparence les plus simples, restent les réacteurs capacitifs. Ces réacteurs sont conceptuellement très simples : il s’agit d’appliquer une tension alternative (dans le domaine RF) entre deux plaques parallèles, à l’image d’un condensateur. Si le régime de pression et l’espacement entre les plaques est bien choisi, un plasma est alors généré et l’interaction de ce plasma avec le substrat positionné sur une des plaques possède la réactivité nécessaire au procédé. Malgré l’apparente simplicité de ce dispositif, la physique des plasmas radiofréquence est extrêmement riche et fait intervenir des concepts de physique fondamentale assez avancés. La dernière décade a été marquée par des progrès très significatifs dans la compréhension de ces concepts. L’exposé proposera une présentation pédagogique de l’évolution de ce domaine de recherche et fera le point sur l’état actuel de nos connaissances.
Orateur: PASCAL CHABERT (CNRS) -
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Procédés plasmas de microélectronique sur substrats refroidis à des températures cryogéniques
Les procédés plasmas basse pression sont utilisés de manière intensive pour la micro et la nano fabrication des circuits intégrés, des composants photoniques et des microsystèmes (MEMS). Les dimensions critiques des dispositifs ont atteint des valeurs tellement faibles qu’il est souvent nécessaire de mettre au point des procédés plasma de gravure ou de dépôt sophistiqués pour ne pas altérer les couches enterrées et contrôler la structuration à l’échelle atomique.
Parmi ces procédés, le refroidissement du substrat à une température cryogénique présente un certain nombre d’intérêts. En effet, la très faible température peut limiter les phénomènes de diffusion préservant ainsi la pureté du matériau soumis au plasma. Par ailleurs, la physisorption des espèces radicalaires du plasma est favorisée à basse température, ce qui peut faciliter le dépôt de couches minces. Par exemple, le dépôt de métal par des techniques de FIB (Focus Ion Beam) est bien plus efficace à température cryogénique du substrat [1]. Des espèces peuvent également être formées à très basse température uniquement, c’est le domaine de la cryo-chimie [2]. La voie cryogénique est également envisagée pour la gravure de certaines couches minces comme les matériaux poreux à faible permittivité diélectrique utilisés dans les interconnexions [3]. Des procédés cryogéniques de gravure de couches atomiques ont également été proposés. [4]
L’une des difficultés liées à l’étude des procédés cryogéniques provient du fait qu’une grande partie des espèces formées en surface désorbent lors de la remise à l’air ou lors du réchauffage de l’échantillon, ce qui oblige à réaliser des caractérisations in-situ. Ces techniques de caractérisation seront présentées, ainsi que les mécanismes physico-chimiques mis en évidence dans la cryo-gravure par plasma de matériaux à base de silicium.
Remerciements
Ce travail est soutenu par l’ANR au travers du projet PSICRYO (ANR-20-CE24-0014)
[1] De Teresa J, Orús P, Córdoba R and Philipp P 2019 Comparison between Focused Electron/Ion Beam-Induced Deposition at Room Temperature and under Cryogenic Conditions Micromachines 10 799
[2]An L-Y, Dai Z, Di B and Xu L-L 2021 Advances in Cryochemistry: Mechanisms, Reactions and Applications Molecules 26 750
[3] Leroy F, Zhang L, Tillocher T, Yatsuda K, Maekawa K, Nishimura E, Lefaucheux P, de Marneffe J-F, Baklanov M R and Dussart R 2015 J. Phys. D: Appl. Phys. 48 435202
[4] Antoun G, Lefaucheux P, Tillocher T, Dussart R, Yamazaki K, Yatsuda K, Faguet J and Maekawa K 2019 Cryo atomic layer etching of SiO2 by C4 F8 physisorption followed by Ar plasma Appl. Phys. Lett. 115 153109Orateur: Thomas Tillocher (GREMI - Univ Orleans / CNRS) -
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Mécanismes d’adsorption/désorption physique des gaz résiduels sur Si/SiO2 en conditions cryogéniques
L’utilisation de basses températures pour la nanofabrication et les traitements par plasma a permis d’obtenir des avantages significatifs pour les matériaux et composants employés dans plusieurs domaines de la science et de la technologie. Par exemple, la gravure cryogénique du Si à l’aide de plasmas SF6/O2 a permis l’obtention de structures à fort rapport d’aspect et une sélectivité élevée entre le Si et la photorésine (1). Des études ont montré que ces améliorations sont dues à la formation d’une couche de passivation SiOxFy qui ne se produit que sur des surfaces refroidies (2,3), généralement autour de –100 °C. En effet, la diminution de la température d’une surface solide exposée à une phase gaz/plasma a pour but d’augmenter la quantité et la variété des espèces adsorbées, ainsi que leur temps de résidence. Par ailleurs, il est important de noter que les espèces adsorbées proviennent à la fois des gaz de travail (e.g., SF6, SiF4, C4F8, O2, etc.) mais également des gaz résiduels qui sont souvent présents dans les réacteurs de gravure (e.g., CO2, H2O, N2, CFx, etc.). Ces derniers sont dus aux fuites, au dégazage et à la pulvérisation des parois de la chambre et peuvent affecter de manière significative les mécanismes physico-chimiques sur la surface refroidie lorsque la température est suffisamment basse.
En accompagnement des études récentes sur la compréhension de la gravure du Si (4), nous menons ici une étude de spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) quasi in situ sur la surface du Si (et de son oxyde natif SiO2) à des différentes températures cryogéniques, sous vide. Le but est d’étudier spécifiquement les mécanismes d’adsorption/désorption des gaz résiduels présents dans un réacteur de gravure typique, comme une étape préalable du procédé. Il a été constaté que l’état chimique de la surface du Si reste quasiment inchangé lorsque sa température passe d’ambiante (+25 °C) jusqu’à –120 °C. Cependant, pour des températures plus basses, l’adsorption de H2O devient un problème majeur. L’épaisseur de la couche de H2O ainsi que sa concentration à la surface du Si augmentent de manière exponentielle lorsque la température diminue, suivant une loi d’Arrhenius « inverse ». L’adsorption de fluor et de ses composés peut également être détectée à partir de –100 °C, quoique de façon beaucoup moins marquée. Les résultats exposés démontrent l’impact des gaz résiduels et sont importants pour établir les limites de fonctionnement dans les domaines de la gravure et du dépôt cryogéniques.
Remerciements : CNRS, Programmes ANR PSICryo et Emergence-INC OPERA.
(1) R. Dussart et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 47 (2014) 123001.
(2) J. Pereira et al., Appl. Phys. Lett. 94 (2009) 071501.
(3) X. Mellhaoui et al., J. Appl. Phys. 98 (2005) 104901.
(4) G. Antoun et al., ECS J. Solid State Sci. Technol. 11 (2022) 013013.Orateur: Dr Felipe Cemin (Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes) -
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Gravure plasma du Titane : une technique innovante pour la miniaturisation des dispositifs médicaux implantables
Le titane est un matériau couramment utilisé en médecine pour diverses applications, telles que les prothèses et les instruments chirurgicaux, en raison de sa biocompatibilité. De plus, il est également adapté pour les boîtiers des Dispositifs Médicaux Implantables Actifs (DMIA), tels que les stimulateurs cardiaques et les défibrillateurs. La tendance vers des dispositifs toujours plus petits et performants rend la fonctionnalisation du titane par le biais de techniques microtechnologiques de plus en plus opportune.
La structuration de la coque en titane consiste à y intégrer des puces à base de titane massif. Les motifs ou formes sont réalisés par un procédé appelé gravure plasma, utilisant un plasma, c'est-à-dire un gaz ionisé. Lors de ce processus, le gaz est soumis à un champ électromagnétique qui conduit à la formation de particules chargées, les ions, les électrons et les radicaux réactifs. Ces particules chargées vont alors interagir avec la surface du matériau, ici le titane, pour en retirer progressivement des couches très fines et ainsi créer les motifs souhaités.
Ce projet de recherche se concentre sur l'étude de la gravure de titane à fort rapport d'aspect (HAR) dans le but de créer des implants biomédicaux de nouvelle génération. L'objectif final, sans précédent sur les plans scientifique et technologique, est d'avoir un contrôle optimal de la gravure HAR (jusqu'à 1:10, avec des profondeurs de plusieurs centaines de micromètres) et des procédés de micro-fabrication reproductibles. Cela est particulièrement important pour les applications médicales, où la miniaturisation et la précision sont essentielles.
Remerciements
Ce travail a été soutenu par la Région Centre-Val de Loire dans le cadre du projet PSPC-Régions n°1, Projet Tech2AIM (Turnkey TECHnologies to enable next generation Active Implantable Medical devices).Orateur: Rim Ettouri (GREMI - Univ Orleans / CNRS) -
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Texturation d’aciers inoxydables massifs à l'échelle micrométrique avec plasma chloré ICP : Optimisation des procédés et compréhension des mécanismes de gravure
La structuration à l'échelle micrométrique de la surface des aciers inoxydables permet de leur apporter de nouvelles fonctionnalités, dans des domaines comme la tribologie où l’optique. Dans ce travail, nous avons développé un procédé de gravure plasma utilisant un réacteur ICP avec un mélange de chlore et d'argon pour la gravure de deux aciers inoxydables : l'acier austénitique 4441 (17,7 % en poids de Cr et 14,7 % en poids de Ni) et l'acier martensitique 4116N. (14,5 % en poids de Cr et 0,2 % en poids de Ni).
La mise au point de ce procédé a été réalisée en s'appuyant sur l'étude de la gravure des principaux métaux qui composent ces aciers, à savoir le fer, le chrome et le nickel. A partir de mesures de vitesse de gravure couplées à des analyses par spectroscopie d'émission optique (OES), nous avons montré que, dans le plasma Cl2/Ar, le fer est l’élément qui se grave le mieux, suivi du chrome, puis du nickel. Nous avons également étudié la variation de la vitesse de gravure de ces métaux et des aciers en fonction de la température des substrats. Ces études ont permis d'établir certains mécanismes de gravure impliqués dans la gravure des éléments métalliques. Des échantillons de métaux et d'aciers inoxydables gravés ont été analysés par spectrométrie photo-électronique à rayons X (XPS). Nous avons montré que dans un plasma Cl2/Ar, le fer est principalement gravé par un processus chimique obéissant à une loi d'Arrhénius. Ce mécanisme repose sur la formation de chlorures de fer volatils. Dans le cas du chrome, une gravure assistée par ions est nécessaire pour désorber les chlorures de chrome non volatils formés à la surface du matériau. Enfin, pour le nickel, nous avons observé que la vitesse de gravure diminue lorsque la température augmente. Les analyses XPS suggèrent la formation de chlorures de nickel non volatils. Ces chlorures seraient à l'origine de la diminution de la vitesse de gravure du nickel. Ces mécanismes nous permettent de conclure que, dans un plasma chloré, l'élément bloquant dans la gravure des aciers inoxydables est le nickel. En effet, l’acier 4116N contenant 0,2 % en poids de Ni, a une vitesse de gravure de 55 nm.min-1 tandis que l’acier 4441 contenant 14,7 % en poids de Ni, a une vitesse de gravure plus faible (48 nm.min-1).
D'autre part, nous avons observé par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX) la présence de dépôts riches en chlore sur les surfaces d'aciers inoxydables gravées. Pour éviter la formation de ces dépôts, un procédé séquencé avec plasma Cl2/Ar et plasma H2 a été développé. Ce processus nous a permis d'obtenir une surface gravée lisse. En effet, l'analyse XPS sur la surface gravée à l'aide de plasma séquencé ne révèle aucun chlorure métallique.
Cette recherche a été soutenue par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) dans le cadre du projet SPOT (ANR-17-CE08-0029).Orateur: Prof. Thierry Czerwiec (IJl) -
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Pulvérisation magnétron haute puissance amplifiée par les électrons (e-HiPIMS), application aux dépôts de Cr et Ti
L'objectif de ce travail est de mieux comprendre une nouvelle alimentation par décharge de pulvérisation magnétron impulsionnelle à haute puissance, qui s’appelle e-HiPIMS. Cette nouvelle alimentation e-HiPIMS est la combinaison du multi-pulse HiPIMS (m-HiPIMS) et le HiPIMS standard (s-HiPIMS)[1,2]. Elle est composée de trois circuits LC fonctionnant de manière répétitive et ils sont tous synchronisés. Chaque étage peut être activé ou désactivé ayant une valeur comprise entre 150 et 300 V.
Cela signifie que nous pouvons ajouter une impulsion de tension à différents moments pendant que la décharge est activée. L'idée est d'utiliser les électrons chauds au début de l'impulsion pour améliorer l'ionisation d'espèces spécifiques[3–5]. Des couches minces de Cr et Ti ont été déposées en utilisant l’e-HiPIMS pour six configurations différentes. Ensuite, ces couches minces ont été caractérisées par diffraction de rayons X (DRX) et microscopie électronique à balayage (MEB).
Nous montrons clairement que l’utilisation de cette alimentation permet d’améliorer la cristallinité des films ainsi que leur densité.1- O. Antonin, V. Tiron, C. Costin, G. Popa, and T.M. Minea, J. Phys. Appl. Phys. 48, 015202 (2014).
2- P. Souček, J. Hnilica, P. Klein, M. Fekete, and P. Vašina, Surf. Coat. Technol. 423, 127624 (2021).
3- A. Vetushka and A.P. Ehiasarian, J. Phys. Appl. Phys. 41, 015204 (2008).
4- A. Ferrec, J. Kéraudy, and P.-Y. Jouan, Appl. Surf. Sci. 390, 497 (2016).
5- M. Fekete, J. Hnilica, C. Vitelaru, T. Minea, and P. Vašina, J. Phys. Appl. Phys. 50, 365202 (2017).Orateur: Joelle Zgheib (Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel)
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10:30
Pause - Café Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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Conférences plénières: 4 Amphi Gaston Berger
Amphi Gaston Berger
Président de session: Guy Wormser (LAL Orsay)-
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Le Laser à électrons libres : une aventure au fil de ses développements
Les Lasers à Electrons Libres (LEL) sont des sources de lumière accordables, intenses et cohérentes couvrant de l’infra-rouge lointain aux rayons X. Ils utilisent un milieu de gain simple et élégant, où le rayonnement cohérent est généré avec des électrons libres placés dans le champ périodique permanent d’un onduleur. Le rayonnement synchrotron émis dans l’onduleur interagit avec le paquet d’électrons conduit à une mise en phase des émetteurs. L’onde lumineuse est alors amplifiée au détriment de l’énergie cinétique des électrons. Depuis les premiers lasers à électrons libres en régime oscillateur dans l’infra-rouge et le visible au siècle dernier, le domaine a connu depuis plus de dix ans un développement spectaculaire avec l’arrivée des XFEL (X-ray Free Electron Laser) permettant l’investigation d’espèces diluées de la matière, le suivi de phénomènes ultra-rapides, ou des études d’optique X non linéaires. Cette révolution, redevables des progrès que la qualité du faisceau d’électrons produit par les accélérateurs de particules modernes, s’accompagne d’une agilité à façonner les propriétés du laser avec différentes configurations selon les besoins des utilisateurs. Les progrès récents l’accélération laser plasma offrent de nouvelles perspectives d’application au laser à électrons libres.
Orateur: Marie Emmanuelle COUPRIE (Synchrotron SOLEIL) -
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Un rêve devenu réalité : pénétrer dans une atmosphère stellaire, celle du Soleil
Lancée en 2018, la mission NASA Parker Solar Probe est la première à littéralement pénétrer dans une atmosphère stellaire. En l'espace de six ans, ce satellite va progressivement s'approcher à moins 0.05 unités astronomiques de la surface du Soleil. L'objectif de cette mission est de répondre à deux questions majeures de la physique contemporaine : pourquoi la température des couronnes stellaires dépasse-t-elle fréquemment plusieurs millions de K alors que celle de la surface est nettement plus basse ? Et aussi, quelles sont les sources du vent solaire qui remplit l'héliosphère de plasma ? Deux ans plus tard, l'ESA a lancé la mission Solar Orbiter, qui complète les mesures in situ de Parker Solar Probe par de l'imagerie solaire haute résolution, allant de l'extrême UV jusque dans le visible.
L'idée d'aller explorer la couronne solaire a germé dès les années 1960. J'aborderai d'abord les divers défis technologiques qu'il a fallu surmonter pour pénétrer dans un milieu aux conditions si extrêmes. Puis je me concentrerai sur quelques avancées majeures, qui ont apporté leur lot de surprises.Orateur: Thierry Dudok de Wit (LPC2E, Orléans)
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Cérémonies: Clôture Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
Présidents de session: Daniel Rouan (LESIA - Observatoire de Paris), M. Marco CIRELLI (LPTHE, CNRS & Sorbonne U, Paris, France), Sarah Houver (Université de Paris) -
14:00
Visites d'installations scientifiques Centre des Congrès de la Villette
Centre des Congrès de la Villette
Cité des sciences et de l'Industrie, Paris
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08:00
