Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité

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Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité Faits marquants

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Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité

Faits marquants

Soutien Administratif et Informatique

Gestion Financière – Ressources Humaines: C. SOUCASSE (AI, Resp) – C. LECINANA (T)

Informatique: E. KIERBEL (IR)

Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité –UMR 5589 Directeur: J-M. L’HERMITE – Directeur adjoint: D. GUERY-ODELIN

9 chercheurs CNRS (4 DR; 5 CR) / 10 enseignants-chercheurs UPS (4 PR; 6 MCF) 8 ITA CNRS + 3 BIATSS UPS

8 Doctorants, 4 Post-doctorants

Agrégats

- JM. L’HERMITE (DR-Resp) - P. LABASTIE (PR) - S. ZAMITH (CR)

Doctorante:

- I. BRAUD

Femto

- B. CHALOPIN (MCF- Resp) - B. CHATEL (DR, 10%)

Interférométrie

Interférométrie atomique

- A. GAUGUET (MCF-Resp)

Doctorants: - J. ALIBERT - B. DECAMPS

Pendule ultime

- J. VIGUÉ (DR émérite)

Doctorant: - G. DOLFO

Ions-Matière

Ions-matière

‐ JP. CHAMPEAUX (MCF-Resp) ‐ P. CAFARELLI (MCF) ‐ P. MORETTO-CAPELLE (CR) ‐ M. SENCE (MCF)

Post-doctorant:

‐ MC. JI

Nanocosmos

Personnel IRAP hébergé :

‐ C. JOBLIN (resp.) ‐ H. SABBAH (MCF) ‐ A. BONNAMY (IR)

Mai 2016

Axe interaction les-matière

- C. MEIER (PR-Resp.) - A. BOUCHÈNE (PR) - N. HALBERSTADT (DR) - D. LEMOINE (CR) - B. LEPETIT (CR)

- M. BARRANCO (Pr- Chaire excellence IDEX)

Post-doctorant: - S. ALIABYSHEV

Doctorants:

- F. COPPENS - E. MANGAUD

Atomes froids

Condensats de B. E.

- D. GUÉRY_ODELIN (PR-Resp) - J. BILLY (MCF)

Post-doctorante:

- N. CABRERA-GUTIERREZ

Doctorants: - A. FORTUn - E. MICHON

Nanopinces

- M. BÜCHNER (CR)

Soutien technique Soutien aux expériences Mécanique Coordinateur: S. FAURE (IE) Coordinateur : L. POLIZZI (AI)

JP. LOISEL (IE 20%) - J. MAUCHAIN (IR 10%) D. CASTEX (T) – M. GIANESIN (T)

ITA: JP. LOISEL (80%) ITA: J. MAUCHAIN (90%)

Axe Molécules- Agrégats Théorie Axe interaction laser-matière Axe Molécules- Agrégats Théorie

W.VOLONDAT (T détaché 30% Irsamc)

Electronique P. PAQUIER (AI)

SWEET (Equipe I²M LCAR)

Premières mesures de sections

efficaces absolues doublement différentielle d’émission d’électron

H+ (~80keV) @ 90° => Np Protons diffusé (diffusion nucléaire)

Section efficace de Rutherford

𝜌pyr, density of pyrene molecules

L, length of the interaction region R’(R’’), detection efficiency & transmission efficiency

𝜌pyr×𝜕𝜎

𝜕𝐸𝜕Ω× L × 𝑅′ = 𝑁𝑒

𝜌pyr× 𝜎𝑅𝑢𝑡ℎ𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑑 × L × 𝑅′′ = 𝑁𝑝

𝜕𝜎

𝜕𝐸𝜕Ω=𝑁𝑒

𝑁𝑝

𝑅′′

𝑅′𝜎𝑅𝑢𝑡ℎ𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑑

100keV Protons diffusés

Energy selected electrons (25eV)

𝑵𝒑 𝑵𝒆

En cours de mesure

Connue

Technique sera utilisée pour normaliser en sections efficaces absolues « tous » les

processus mesurés dans SWEET (Postdoc next : JI Mingchao)

H+

100KeV

Temps de Vol

Channeltron => Ne

e-

Cylindrical Mirror Analyzer (e- émis par la molécule)

PAH : coronene

« Normalisation » sur la section Rutherford

L’interféromètre atomique à lithium

pmmv

hdeBroglie 54

Réseaux diffractants

Source

atomique

Séparatrice Séparatrice Miroir I=I0∙[1+V∙cos(miroir+ pert)]

𝝋𝒑𝒆𝒓𝒕 𝒕 = 𝟐 𝝅 𝝐𝟎𝜶 𝑬² 𝒕 − 𝝉

ħ𝒅𝝉

𝑳/𝒗

𝟎

B. Decamps et al., PRL (2016) + actualité scientifique CNRS

𝜑𝑚𝑖𝑟𝑟𝑜𝑟

Applications ludiques: Radio atomique 54 pm PM + Fax atomique

Création d’une superposition cohérente d’états cinétique +Application des deux champs électriques à deux fréquences légèrement différentes et détection de la différence de fréquences

E (t)

Construction d’un nouvel interféromètre atomique

Obtention des premiers atomes froids dans l’interféromètre atomique.

Laboratoire de Chimie et de Physique Quantiques

LCPQ/UMR5626

Dir. : T. Leininger / Dir. Adj. : N. Guihéry

LCPQ laboratoire composé entièrement de théoriciens

Disciplines

chimie théorique, chimie quantique, physique moléculaire théorique, simulation

Tutelles

UPS et CNRS

INC (13, 14, principal) et INP (04, secondaire)

CNU 31, 30, 28

L(C)PQ fondé en 1974, UA, puis URA puis UMR.

Fédération de Recherche IRSAMC

LabeX NEXT (Nano, Mesures Extrêmes et Théorie)

Présentation générale

LCPQ : 4 équipes de recherche

Méthodes et Outilsde la Chimie Quantique

GMO(10+3*0.5)

Systèmes étenduset Magnétisme

SEM(6)

PhotochimieTheorique et

ComputationnellePhotoTeC (6)

Modélisation-AgrégatsDynamique

MAD(4+3*0.5)

Recherche : 15 chercheurs CNRS, 14 enseignant-chercheurs

Actuellement : 11 doctorants – 1 post-doctorant

Gestion : F. Joly (TCN CNRS, NOEMI 2015)

S. Colomar (CDD UPS)

Info : Eric Colledani (AI CNRS), David Sanchez (IGE UPS), Anthony Scemama (IR CNRS)

Forte activité en calcul intensifnotre équipe et nos « jouets »

Développements en cours

Serveur autonome du LCPQCluster de ~ 1450 coeurs de calculhébergé à la DTSI (convention IRSAMC-UPS)

IRSAMC : CTAI depuis 2011 (CNRS) et 2014 (UPS)

EOS>12000 coeurs

OCCIGEN>50000 coeurs

TURING>65000 coeurs

Evolution vers les machines exascale (1018 flops)

● GDR CORREL (Direction M. Caffarel)

● GDR MCM (Magnétisme et Commutation Moléculaire, bureau N. Guihéry)

● GDR EMIE (Edifices Moléculaires Complexes et Environnés, bureau A. Simon)

● Participation : GDR co-DFT, GDR Spectro, GDR Mico

● Création du noeud CFCAM-FR-GSO (UPS/CNRS/CEA)

● Réseau européen MAGMANET

● ERC Nanocosmos (PI : C. Joblin, IRAP)

● Master Erasmus Mundus TCCM + EJD ITN TCCM (Marie-Curie)

●TCCM Winterschool (Luchon Tutorial Theoretical Chemistry)

● Ecole internationale récurrente, ESQC (T. Saue)

Contributions structurantes

Interfaces

chimie/ physique fondamentale

chiralité, électrodynamique quantique

chimie/physique moléculaire

simulation, traitements relativistes, photochimie/photophysique, agrégats

chimie/biochimie/biologie

interaction de complexes métalliques avec des biomolécules, réactivité

chimie/matière condensée

physique des agrégats, systèmes étendus, interaction molécule-surface,

magnétisme et systèmes de basse dimensionnalité

chimie théorique/astrochimie/astrophysique

agrégats moléculaires et nanoparticules

Axes thématiques de recherche

Axes thématiques de l’Université Paul Sabatier

– Axe 4 : Molécules, matériaux, dispositifs et procédés pour la santé, le

vivant et l’environnement

– Axe 5 : Modélisation, simulation numérique, modèles de calcul, calcul

intensif

– Axe 7 : Atomes, molécules et nano-objets : du concept à l’expérience

Groupe Méthodes et Outils (GMO)

Développements théoriques, méthodologiques et

logiciels généralistes pour le problème à N corps

quantique électronique.

Méthodes Fonction d’Onde (WF)

IC en orbitales localisées

Méthodes perturbatives et Coupled Cluster

Méthodes Fonctionnelles de la densité

Fonctionnelles avec la densité de courant E[,j]

DFT relativiste

Méthodes mixtes DFT/WFT

Méthodes Monte Carlo Quantique électronique

QMC : approche stochastique de la fonction d’onde

Mécanique Quantique relativiste

Formalisme 2- ou 4- composantes

Electrodynamique quantique

Propriétés moléculaires électroniques

Spectroscopie théorique T.

Nadia Benamor CR

(Radovan Bast, CR, dispo)

Arjan Berger, chaire MCF/CNRS

Fabienne Bessac, MCF 50 %

Michel Caffarel, DR

Philippe Durand, PR Emérite

Stefano Evangelisti, PR

Timo Fleig, DR

Xavier Gadéa, DR 50 %

Sophie Hoyau, MCF 50 %

Thierry Leininger, PR

Pierre-François Loos, CR1 2016

Daniel Maynau, DR Emérite

Trond Saue, DR

4 doctorants, 1 post-doc

ANR : QMC-CHEM, EDMeD

Labex : SPAHN, thèse N. Raimbaud,

Workshop, WinterSchool, Prof. Invités

IDEX : AO émergents4 doctorants, 1 post-doc

Interaction de Configurations en orbitales localisées

Localisation des systèmes σ et π

Découpage multizones

210 s 1 065 969 det

419 s 1 937 824 det

733 s 3 138 426 det

2248 s 5 767 286 det

IC(SD) classique :

2 696 779 081 det

A. Berger,S. Hoyau, D. Maynau,N. Benamor

CASCI (total :1000 orbitales) CASDILOC :

Dépasser goulot d’étranglement

corrélation dynamique ( # intégrales et de

déterminants IC)

Applications : magnétisme, photochimie,

Projet : MCSCF Localisé: FRACCIS

100 orbitales actives.

Méthodes Monte Carlo quantique pour la chimieE. Giner, T. Applencourt, A. Scemama, M. Caffarel

Spectroscopy from first-principles theoryNathaniel Raimbault (LCPQ), Pina Romaniello (LPT), Arjan Berger (LCPQ)

Ab

sorp

tio

n

Phys. Rev. Lett. 114, 066404 (2015)Phys. Rev. Lett. 115, 137402 (2015)J. Chem. Theory Comp., submitted (2016)

We manage to describe various spectroscopies from first principlesusing density-functional theory (DFT) with simple, parameter-free functionals

a-pinene

Systèmes Etendus et Magnétisme (SEM)

Compréhension de l’origine microscopique de

propriétés électroniques remarquables

Traitement des effets collectifs dans les solides.

Détermination d’hamiltonien modèles

Groupe de renormalisation dans l’espace réel

Anisotropie magnétique dans les complexes de

métaux de transition 3d et 4d, les lanthanides et les

actinides

Magnétisme, contrôle et transport dans les

polyoxométallates

Conception et études des propriétés magnétiques

et de transport d’hydrocarbures conjugués

Propriétés macroscopiques de matériaux fortement

corrélés (Vanadates, Manganites, Cuprates....)

Composés à transition de spin

Effet Zeeman dans les molécules, tenseur g

Hélène Bolvin, CR

Nicolas Suaud, MCF

Nathalie Guihéry, PR

Jean Paul Malrieu, DR

Cyril Martins, MCF

Georges Trinquier, DR

1 doctorant

ANR TEMAMA

Réseau européen MAGMANET

Single Molecular Magnets Potential applications- quantum bits- spintronic…

Origin of the property- Interplay between spin-orbit coupling, relativistic

effects and geometric effects

Magnetic anisotropy : from transition metals to actinidesH. Bolvin, N. Guihéry, F. Koprowiak, C. Martins, N. Suaud

Ni(Me6tren)Cl2+

Transition metals Lanthanides Actinides

Ho2BuOSalophen Utp23+

DE=D.S2

Ab initio calculation of magnetic anisotropy Design of new complexes

Magnetic potentialities of conjugated polycyclic hydrocarbons

- Possible ferro-magnetic architectures:

S=5/2 units

S=1 units

by carving triangular holes in graphene

V. Gopal, N. Guihéry, G. Trinquier, J. P. Malrieu, N. Suaud

or by assembling magnetic units

DFT open-shell calculations

Existence of a 2d-electron gas at the (001) surface of SrTiO3 , revealed by ARPES

Ab-initio study of the 2d-electron gas at the (001) surface of the SrTiO3

An atomic specialization revealed by DFT calculations C. Martins

Ti atoms far from an O-divacancy

give rise to the itinerant bands.

Ti atoms close to an O-divacancy

create in-gap states.

A competition between magnetism

and the Rashba effect.

Photochimie théorique et computationnelle (PhotoTeC)

Photochimie, photophysique et photoréactivité de complexes de

métaux de transition

• photoisomérisation et photochromisme

• photoluminescence

• photosubstitution

• applications photovoltaïques

Photochromie de complexe de ruthénium à ligand sulfoxyde

Photochimie de chromophores organiques isolés et en phase

condensée (solvant, protéine)

Photodechélation et photoanation de complexes de ruthénium

Conception de couple donneur-accepteur pour la

photovoltaïque organique (OPV) à partir de complexes

organiques (type P3HT) et de complexe de Nickel bis-

dithiolène

Fabienne Alary, PR

Martial Boggio-Pasqua, CR

Isabelle Dixon, CR

Marie-Catherine Heitz, MCF

Jean-Louis Heully, DR

Simon Mathieu, MCF

3 doctorants

Photophysique complexes polypyridyliques de ruthénium

F. Alary, M. Boggio-Pasqua, I. Dixon, J.L. Heully

- Position des états 3MC/3MLCT prédits théoriquement[1] et mis en évidence expérimentalement[2].

- Etats importants pour application thérapeutiques (cancer) : perte de ligand => liaison avec ADN.

- Rendement quantique libération thioétherdépend surface potentiel état triplet[3].

[1] F. Alary, J-L. Heully, P. Vicendo, L. Bijeire, Inorg. Chem., 2007, 46, 3154. [2] A. Cadranel, G.E. Pieslinger, P. Tongying, M.K. Kuno, L.M. Baraldo, J.H. Hodack, Dalton trans, 2016, 45, 5464.[3] A. Götlle, F. Alary, M. Boggio-Pasqua, I. Dixon, J-L. Heully, A. Bahreman, S. Askes, S. Bonnet, Inorg Chem, 10.1021/acs.inorgchem.6b00268.

Vers des complexes de fer luminescents?

Inorg. Chem. 2013, 52, 13369-13374Dalton Trans. 2014, 43, 15898-15905Dalton Trans. 2015, 44, 13498-13503 (couverture)Inorg. Chem. 2016, ASAP

• états à transfert de charge hauts• état haut spin (5MC) bas• complexes non luminescents

• états MC déstabilisés• état MLCT bas• complexes luminescents ?

Ligands: donors/p-acceptorsphosphine/polypyridine

Modélisation-Agrégats-Dynamique (MAD)

Développements : modélisation et simulation

Density Functional Tight Binding (DFTB)

Algorithmique grands systèmes 1000-10000 atomes

Optimisation, PT, MD/ MC classique,

Car Parrinello et PIMD, spectroscopie IR

Versions finie et périodique

Thermodynamique/ métadynamique/Parallel tempering

Etats excités, DFTBCI, MD non-adiabatique

Dynamique de relaxation de l’énergie dans les agrégats

Réactivité et fragmentation

Spectroscopie résolue en temps (fs)

Agrégats, Nanoparticules et complexes d’intéret

astrophysique ou atmosphèrique

Chromophores sur agrégats de gaz rare

Plasmas froids

Fabienne Bessac, MCF 50 %

Jérôme Cuny, MCF

Florent-Xavier Gadea, 50 % DR

Sophie Hoyau, MCF 50 %

Mathias Rapacioli, MCF

Aude Simon, CR

Fernand Spiegelman, DR

3 doctorants

ANR : GASPARIM, DRAGS, PARCS,

ANR-DFG à venir

Labex NEXT : CIM3

ERC NanoCosmos

Groupe MAD : Simulations SCC-DFTB de l’eau

✓ SCC-DFTB[1]: formulation tight-binding de la DFT ⇒ intégrales pré-calculées et valenceminimale, permet un fort gain en temps de calcul.

✓ Développement de potentiels SCC-DFTB décrivant les propriétés des systèmes aqueux: eauliquide et agrégats de molécules d’eau.

✓ Fonctions de distribution radiales g(r) O-O de l’eau liquide ⇒ potentiel SCC-DFTB modifié

(wmull) apporte des améliorations significatives au potentiel original.

[1] Elstner, M.; Porezag, D.; Jungnickel, G.; Elsner, J.; Haugk, M.; Frauenheim, T.; Suhai, S.; Seifert, G. Phys. Rev. B 1998, 58,

7260–7268.

Approche Path-integral MDProblématique : les simulations de

dynamique moléculaires (MD) sont

généralement classiques, c’est à dire

qu’elles traitent les noyaux comme des

particules classiques.

Cette approche est valable dans la

plupart des cas, mais devient limitée :

✤pour des éléments légers (H, D, Li)

✤pour les basses températures

(a)

Molécule d’eau

quantique

(b)

Molécule d’eau

path integral

(c)

Décomposition

de la représentation

path integral de la molécule

d’eau (répliques)

DFT correction PI-MD similaire DFTB

MODELISATION DES PROPRIETES DE TRANSPORT DANS LES PLASMASA APPLICATIONS MEDICALES

F.X. Gadea,collaboration LCAR (B. Lepetit,collisions)

LAPLACE (expériences mobilité)

Plasma émis par un tube flexible de 1m pour applications endoscopiques (Laplace)Mobilités deHe+ dans He :

calculs ab initioet mesures

Low temperature plasmas at atmospheric pressure :

Towards new pharmaceutic treatments medicine.

M. Yousfi, N. Morbahi, A. Pthak, O. Eichwald

Collaborations

IRSAMC

CEMESLNCMI

LAPLACEIRAP

LAAS

ICT

CALMIP

LCC

LCAR

LSPCMIB

IMRCP

LPCNO LPT

LCPQ

NEXTLHFA

Depuis 2009

> 350 publications

~ 55 % coll. internationales

~ 25 % coll. expérimentateurs

Un « jeune » laboratoire (créé en 2003) impliqué dans une grande variété de domaines scientifiques autour de la physique, et utilisant un large éventail de techniques analytiques et numériques

Journées NEXT 15-16 juin 2016

Appel d'offres septembre 2014 Chercheurs invités 1

NEXT - Département de Génie Physique, INSA - 135 avenue de Rangueil - 31077 Toulouse cedex 4

AO#2011'

Appel d’offres Chercheurs invités

NEXT propose de financer, à travers son programme de bourses, le séjour de chercheurs invités. Ce programme a pour ambition d’offrir à des scientifiques de haut niveau la possibilité d’initier ou de renforcer des collaborations avec les scientifiques de NEXT. La durée maximale du séjour est fixée à 3 mois par an. La durée minimale sera de 1 mois. Le chercheur doit avoir dans son université ou au sein de son institution de rattachement une position équivalente soit au grade de PR soit au grade de MdC. Suivant le cas, le chercheur percevra une rémunération de 3 000 € net / mois (senior) ou de 2 300 € net / mois (junior). Les frais de déplacement pourront être pris en charge à hauteur de 1 300 € maximum sur présentation des factures. Dans le cas où le chercheur est rattaché à une institution française, le séjour et le voyage seront pris en charge par NEXT sur la base des frais de mission CNRS. La date limite pour déposer les dossiers de candidature est le 30 septembre 2014. Modalités pratiques Les dossiers de candidature comprendront, outre les renseignements administratifs habituels : ! un CV succinct ! une liste des publications principales (1 ou 2 pages) ! un projet de recherche (maximum 3 pages). Durant son séjour le chercheur invité donnera un ou deux séminaires (2 si séjour de plus de 1 mois). Les candidatures sont évaluées notamment en fonction de l’impact que représentera le séjour du chercheur invité sur la communauté NEXT. Modalités de dépôt ! Date limite de dépôt des dossiers électroniques auprès de Corine Delesalle, administratrice de NEXT ([email protected]) : Mardi 30 septembre 2014. L’envoi d’un unique fichier pdf serait apprécié :

Le formulaire s'appellera : AO2ChercheursInv2014_NOM(demandeur).pdf

!  Fermions Fortement Corrélés (FFC) Magnétisme quantique, frustration magnétique, supraconductivité non conventionnelle, matériaux de basse dimensionnalité, transitions de phases quantiques, information quantique, atomes froids, simulations numériques…

!  Cohérence Quantique (Quantware)

Ordinateur quantique, algorithmes quantiques, information quantique, rôle du désordre et des impuretés, chaos classique et quantique, physique mésoscopique, atomes froids, physique non linéaire, astrophysique, physique des réseaux sociaux…

!  Physique Statistique des Systèmes Complexes (PhyStat) Physique de la matière molle et biophysique, systèmes fortement hors d’équilibre, systèmes désordonnés, systèmes interagissant à longue portée, processus stochastiques et leurs applications, astrophysique, physique de la société…

!  Systèmes de Fermions Finis – Agrégats (Agrégats) Interaction laser-matière, agrégats en champs externes, physique des agrégats dans un environnement (surface, matrice, solvant…), agrégats d’intérêt biologique, simulations numériques et méthodologie…

Laboratoire de Physique Théorique (UMR 5152 UPS/CNRS)‏ Directeur : Bertrand GEORGEOT

Directeur adjoint : Sylvain CAPPONI Secrétariat/gestion : Malika BENTOUR (TCS CNRS)�

Service informatique : Sandrine LE MAGOAROU (AI CNRS IRSAMC ; 50% au LPT)� 13 chercheurs CNRS / 10 enseignants-chercheurs UPS – 1.5 ITA CNRS

14 doctorants / 4 postdoctorants / ~7 visiteurs/an (+ d’un mois)

Cohérence Quantique (Quantware)

Systèmes de Fermions Finis – Agrégats

(Agrégats)

Fermions Fortement Corrélés (FFC)

Physique Statistique des Systèmes

Complexes (PhyStat)

FRAHM K. PR2 UPS

SHEPELYANSKY D. DR1 CNRS (Section 02)

GEORGEOT B. DR2 CNRS (Section 02)

DESTAINVILLE N. PR1 UPS

SURAUD E.

PR EXC UPS & IUF

CHAVANIS P.-H. DR2 CNRS (Section 02)

SIRE C. DR2 CNRS (section 02)

MANGHI M. MCF UPS

SEVE-DINH M. MCF UPS & IUF

POILBLANC D. DR1 CNRS (Section 03)

CAPPONI S. PR1 UPS & IUF

MAMBRINI M. CR1 CNRS (Section 03)

ALET F. CR1 CNRS (Section 03)

PUJOL P. PR1 UPS

RAMAZASHVILI R. CR1 CNRS (Section 03)

LAFLORENCIE N. CR1 CNRS (Section 03)

NECHITA I. CR1 CNRS (Section 01)

ROMANIELLO P. CR1 CNRS (Section 05)

ORGANIGRAMME 2016 DU LPT

LEMARIÉ G. CR2 CNRS (Section 02)

PROHLAC S. MCF UPS – Chaire CNRS

PETKOVIC A. MCF UPS

BELKACEM M. MCF UPS

RISTIVOJEVIC Z. CR2 CNRS (Section 03)

!  Analytical tools from condensed and soft matter physics, atomic physics, statistical physics, nonlinear physics… ◦  Classical and quantum field theory ◦  Advanced quantum and classical statistical methods ◦  Classical and quantum stochastic processes; probability theory ◦  Nonlinear physics and classical and quantum chaos ◦  “Hand-waving” and heuristic/phenomenological arguments!…

!  Numerical simulations (LPT’s cluster/IDRIS/CALMIP) ◦  Quantum methods: DFT, TD-DFT, quantum Monte Carlo,

renormalization group and DMRG, exact diagonalization… ◦  Classical methods: Monte Carlo, nonlinear partial differential

equations, molecular dynamics, hydrodynamic simulations… !  Collaborations with experimental groups ◦  Magnetism and condensed matter physics ◦  Transport in nanostructures and mesoscopic physics ◦  Cold atoms ◦  Biophysics and soft condensed matter ◦  Physics of society ◦  … MULTIDISCIPLINARY ACTIVITY

!  Understanding the phenomenon of membrane electropermeabilization

!  Diffusion (or not!) of proteins on the membrane cell

!  Denaturation bubbles in DNA and their effects

!  Clusters of biological interest in an environment (solvent, surface…) !  Dynamics of irradiation of biological objects !  Biological engines (bacteria) !  Networks of biological interest

!  Studying human networks with the tools of quantum mechanics (Google matrix, CheiRank, communities, popularity, wikipedia,

go…)

!  Understanding the “physics” of competitive systems (poker, sports, finance…)

!  Collective behaviors in fish schools and human groups

!  Understanding exotic magnetic phases in frustrated 3D magnets or (effectively) low-dimensional systems

!  Understanding magnetization plateaux in azurite or the phase

diagram of high-Tc superconductors

!  Developing concepts and methods exploiting links between quantum chaos/coherence/information and condensed matter physics, mesoscopic physics, and nanosciences

!  Cold atoms : understanding the diffusion of a BEC by an “impurity” (LCAR-LPT), or proposing atomic physics experiments testing the reversibility of quantum “chaotic” systems

!  Astrophysics : understanding the contrast of the rings of Saturn, the stability of Jupiter’s red spot, dynamical acoustic modes in rotating stars, or the analogy between bacteria chemotaxis and self-gravitating gas…

!  Long-range systems : understanding 2D decaying turbulence and other systems with long-range interactions

!  …

!  The quantum rachet effect observed in nanostructures

!  Understanding light-matter interactions in atomic clusters

!  NanoFlux: a commercial software on nanofiltration (desalination of water, chemistry…)

Anderson transitionfor Google matrix eigenstates

Dima Shepelyansky (CNRS, Toulouse)www.quantware.ups-tlse.fr/dima

with O.V.Zhirov (BINP Novosibirsk)and L.Ermann (CNEA TANDAR), K.Frahm (LPT), V.Kandiah (LPT),H.Escaith (WTO Geneve)

* Markov (1906) → Brin and Page (1998)* Anderson transition on directed networks

* Applications: multiproduct world trade network (UN COMTRADE + OECD-WTO)

Support: EC FET Open project NADINERefs. at www.quantware.ups-tlse.fr/FETNADINE/ + arXiv:1409.0428

(Quantware group, CNRS, Toulouse) MPI Dresden, June 23, 2015 1 / 1

Poincaré sectionsand zero-resistance states

H.Poincaré Acta Math. 13, 1 (1890)

Alexei Chepelianskii (CNRS Orsay)andDima Shepelyansky (CNRS Toulouse)

discussions: O.V.Zhirov (BINP Novosibirsk)

continuation of arxiv:0905.0593 (2009);arXiv:1302.2778 (2013)

(LPS-LPT, CNRS Orsay-Toulouse) QTRANS 2D, Luchon 28/05/2015 1 / 1

Miultifractalité des fonctions d’onde quantique: effet des perturbations (B. Georgeot, G. Lemarié)

Institut de PhysiqueCNRS - Campus Gérard Mégie3 rue Michel-Ange, 75794 Paris Cedex 16T 01 44 96 42 [email protected]/inp

Institut de physiqueActualités scienti!ques

www.cnrs.fr

Seulement deux scénarios pour la disparition de l’invariance d’échelle quantique ?Septembre 2014

Grâce à des simulations numériques complétées par des calculs analytiques, des physiciens ont conclu que l’effet de perturbations sur l’invariance d’échelle des "uctuations dans divers systèmes quantiques suit seulement deux scénarios. Ils conjecturent que cette propriété est universelle.Les tourbillons qui se développent dans un écoulement turbulent sont tous similaires, quelle que soit leur taille. Ces "uctuations invariantes d’échelle sont quali!ées de multifractales, et on s’attend à les retrouver dans des contextes physiques très variés. Dans le cas des systèmes quantiques, ces "uctuations restent très dif!ciles a observer expérimentalement. Des physiciens théoriciens du Laboratoire de physique théorique - LPT (CNRS/Univ.Toulouse 3) et du Laboratoire de physique théorique et modèles statistiques - LPTMS (CNRS/Univ. Paris-Sud), en collaboration avec deux collègues belge et argentin, ont analysé comment cette multifractalité subsiste dans les conditions expérimentales pour des systèmes tels que des électrons dans un potentiel désordonné lors d’une transition de phase, ou des systèmes dynamiques intermédiaires entre chaos et régularité. Lors des multiples modélisations théoriques et simulations numériques qu’ils ont réalisées, ils ont observé que malgré la diversité des perturbations envisagées, la destruction de la multifractalité par les perturbations expérimentales se décline selon seulement deux scénarios génériques. Dans le premier cas, les "uctuations disparaissent à grande échelle, mais la mesure de la multifractalité n’est pas affectée par la perturbation quand les imperfections augmentent, pourvu que l’on se cantonne à des échelles suf!samment petites du système. Dans le deuxième cas, la multifractalité reste préservée à toutes les échelles, mais diminue au fur et à mesure que la perturbation augmente. Les chercheurs conjecturent que cette propriété est générale et que ces deux scénarios sont universels. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.Pour ce travail, les physiciens ont étudié deux modèles représentatifs des deux grandes classes de systèmes quantiques où ce type de "uctuations multifractales est observé. Le premier est un système à une dimension, modélisant une particule quantique soumise périodiquement à potentiel linéaire possédant une singularité.

Pour des valeurs précises de la pente du potentiel, la dynamique classique est intermédiaire entre intégrabilité et chaos. L’autre système est le modèle d’Anderson d’électrons dans un potentiel désordonné. En dimension trois, il existe une transition métal-isolant dans ce système, et les fonctions d’onde stationnaires du système sont multifractales à la transition. La multifractalité s’observe alors en calculant les moments de la fonction d’onde moyennés sur des boîtes d’une certaine taille, et en mesurant la loi d’échelle de la variation de ces moments en fonction de la taille des boîtes sur plusieurs ordres de grandeur. Dans le modèle d’Anderson, il avait déjà été vu qu’en s’éloignant du point de transition, la multifractalité disparait pour les grandes boîtes, mais survit en dessous d’une certaine échelle de taille de boîtes. Les physiciens ont pu véri!er numériquement que ce scénario est aussi à l’œuvre dans le modèle à une dimension (modèle intermédiaire) quand la singularité du potentiel est lissée. Cela s’interprète par l’introduction dans le système d’une nouvelle échelle, qui dépend de la distance sur laquelle la singularité est lissée. En dessous de celle-ci, les chercheurs ont observé qu’il n’y a plus d’échelle particulière et que les moments suivent la même loi d’échelle qu’en l’absence de lissage. Une autre perturbation possible consiste à modi!er la base d’observation du système, car les "uctuations mesurées changent suivant la base d’observation choisie. Les études numériques sur le modèle intermédiaire et le modèle d’Anderson, qui ont nécessité la diagonalisation de matrices de taille supérieure au million, ainsi qu’une étude analytique, ont montré que pour cette perturbation, la multifractalité suit le second scénario : elle est détruite de manière uniforme à toutes les échelles. Ces observations ont conduit les physiciens à conjecturer que la destruction de la multifractalité est universelle, et que ces deux scénarios sont les seuls possibles. Il n’est en revanche pas possible de déterminer à priori le scénario qui sera suivi, car il dépend de la nature des perturbations expérimentales qui sont par nature mal connues. En revanche, une fois le scénario déterminé pour le système étudié, le présent travail permettra d’interpréter ou de prédire les résultats expérimentaux sur de tels systèmes.

Two scenarios for quantum multifractality breakdown, R. Dubertrand1, I. García-Mata2, B. Georgeot1, O. Giraud3, G. Lemarié1, et J. Martin4, Physical Review Letters, 2014

Retrouvez la publication sur les bases d’archives ouvertes HAL et arXiv

En savoir plus

Bertrand Georgeot, directeur de recherche CNRS

Contact chercheur

1 Laboratoire de Physique Théorique, LPT Toulouse (IRSAMC)2 Instituto de Investigaciones Físicas de Mar del Plata - IFIMAR (CONICET), Argentine3 Laboratoire de physique théorique et modèles statistiques (LPTMS), Orsay4 Institut de Physique Nucléaire, Atomique et de Spectroscopie, Université de Liège

Informations complémentaires

Exemple de fonctions d’onde quantique multifractales

Chaos assisted tunneling experiments with cold atoms (collab. With LCAR)

15

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

-3 -2 -1 0 1 2 3

p

x-2

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p

x

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-3 -2 -1 0 1 2 3

p

x

FIG. 17: Emergence of the bifurcation of the central fixed point. Poincare SOS for " = 0.29, and increasing values of �. Topleft: � = 0.203. Top right: � = 0.23. Bottom left: � = 0.26. Bottom right: � = 0.29.

0.22 0.24 0.26 0.28γ

-2

-1

0

1

2

x*

FIG. 18: (Color online) Bifurcation diagram for the classicalmodulated pendulum defined by (6) for " = 0.29. The verticalaxis shows the centers of the stable islands for p = 0. Thehorizontal axis stands for �. Black circles: numerical data.Red dashed line: Approximate theory of the bifurcation x⇤ ⇠p� � �b with �b ⇡ 0.217 (see text).

(8). The problem is now very similar to the double wellpotential problem. Similarly as above, the main focus ison the eigenstates of the quantum propagator U2, which

-3 -2 -1 0 1 2 3x

0

0.2

0.4

0.6

0.8

|Ψ(x,t)|2

t=1t=2t=3t=4

FIG. 19: (Color online) Spatial probability density for thequantum atomic modulated pendulum defined by (6) for " =0.29, � = 0.29 and ~ = 0.3. The initial state is a coherent statecentered at (x, p) = (1.2, 0) with width �x = 2⇡/10. Thequantum wave packet follows the classical transport betweenthe islands: at every even multiple of the period the wavepacket stands in the initial well, whereas at every odd multipleof the period it stands in the other well.

are mainly supported by the stable islands. Two of themplay a central role: |

+

i, and | �i. They are associatedto the eigenvalues E

+

and E� of the Hamiltonian. Weare interested in the energy splitting as defined by (10).

!  Free energy landscape of DNA (a) as a function of the twist and the distance between DNA strands: closed DNA and denaturation bubble opening phases

!  First direct measurement of the fish-wall (b) – vs angle and distance from the wall – and fish-fish interactions and model for fish schools in excellent agreement with experiments

!  Destabilization of a galactic cloud from a collision dominated isotropic state to a final collision-less anisotropic state (c)

!  Field theory for density and current fluctuations of a one-dimensional driven system of interacting hard-core particles relaxing to its non-equilibrium steady state

(b) (a) (c)

Thermalization Dissipation: collective (laser) " thermal

Temperature effects on PES and PAD

C60

~20% Ioniz. Pot.

Lase

r Po

lari

zati

on

Exp: Edinburgh

C60

Sodium clusters may be OK… but certainly not a properly bonded C60?

Beyond semiclassics (Boltzmann+)?

Caution with excitation energy

# very small : fully correlated quantum dynamics # very large : drift towards (semi) classics

Involved object... Need of simplifications for realistic finite systems

Standard classical kinetic equation is insufficient !

What in-between : standard moderate (ionization vs dissipation) ?

Quantum relaxation Time Ansatz

Derive a quantum kinetic equation ? ( for 1-body density matrix )

Quantum kinetic equation

Na40

Optical response

The richness of the quantum approach

Semi-classics

Thermal energy, ionization, PAD : resonance vs dissipation Sizable role of dissipative effects, especially in dense spectral regions Key importance of quantum features

Optical response

I = 6. 1011 W.cm-2 FWHM = 25 fs

PAD

PAD anisotropy β2

Intrinsic (thermal) Energy

Absorbed Energy

Ionization

Quantum"Dissip Quantum

! Keywords:

◦ Condensed matter theory

!Quantum magnetism, magnetic frustration! Topological phases of matter!Unconventional superconductors! Low-dimensional materials and disorder

◦ Cold atoms on optical lattices

◦ Large-scale simulations

mardi 14 juin 16

NMR spectrum of strontium-copper-borate

(ISSP, Tokyo)

! Impurities in quantum antiferromagnets

◦ lmpurity-induced magnetic ordering :

◦ Real-space imaging :

! Dirty bosons

◦ Superfluid-Bose glass transition in 1d and 2d

! Many-body localization

◦MBL does not thermally equilibrate

◦ Very low entanglement entropy

Quantum disordered systems

2

obtain all eigenstates and energies and are limited torather small Hilbert space sizes dimH ⇠ 104 [66]. Inthis Letter, we present an extensive numerical study ofthe periodic S = 1

2 Heisenberg chain in a random mag-netic field, governed by the Hamiltonian

H =X

i2[1,L]

Si · Si+1 � hiSzi , (1)

with random fields drawn from a uniform distribution[�h, h] (the total magnetization Sz is conserved). Eq. 1has been extensively used [20, 27, 32, 40]) as a proto-type for the MBL transition in the ”infinite-temperature”limit, where the full many-body spectrum (or a large frac-tion thereof) is considered for systems of maximum sizeL ⇡ 16. In this work, we instead use a shift-inverse EDapproach and are able to reach eigenstates at arbitraryenergy density for systems of up to L = 22 with verylarge Hilbert spaces (dimHN=22 = 705 432 in the Sz = 0sector). Our simulations unambiguously reveal the ex-istence of a many-body localization edge : the resultingphase diagram (disorder strength h vs. energy density✏, Fig. 1) is built on a careful finite size scaling analy-sis of numerous energy-resolved estimates. In particularthe transition is captured using, e.g. spectral statisti-cal correlations between nearby eigenstates, volume vs.

area law of entanglement entropies and bipartite fluc-tuations, spin relaxation, localization properties in theHilbert space, scaling of the width of certain distribu-tions, which all roughly agree within error bars. We alsoattempt to collapse data close to the MBL transition.

Characterization of ergodic and localized regimes— Be-fore presenting our numerics, we summarize the main dif-ferences between ergodic and localized phases, and theobservables to quantify them.

(i) Level statistics and eigenvectors similarity. A pop-ular way to di↵erentiate extended from localized regimerelies on studying spectral statistics using tools from ran-dom matrix theory [42]. In the ergodic regime, the statis-tical distribution of level spacings follows Wigner’s sur-mise of the gaussian orthogonal ensemble (GOE), whilea Poisson distribution is expected for localized states.It is convenient [26] to consider the ratio of consecutivelevel spacings r(n) = min(�(n), �(n+1))/max(�(n), �(n+1))with �(n) = En � En�1 at a given eigen-energy En todiscriminate between the two phases as its disorder aver-age changes form rGOE = 0.5307(1) [43] to rPoisson =2 ln 2 � 1 ' 0.3863. This has been used in severalworks [20, 26, 27, 30, 35, 38], averaging over a large partof the spectrum. We computed r in an energy-resolvedway in order to locate the MBL edge (Fig. 2).

Quite interestingly, the GOE–Poisson transition canalso be captured by correlations between nearby eigen-states. We expect eigenfunctions to be ”similar” (”dif-ferent”) in the ergodic (localized) regime. We quantifythe degree of correlation by the Kullback-Leibler diver-gence (KLd) [? ], defined by KL =

Pdim Hi=1 pi ln(pi/qi),

where pi = |hi|ni|2 and qi = |hi|n0i|2 are the modulisquared of the wave functions coe�cients of 2 nearbyeigenstates |ni, |n0i expressed in the computational basis{|ii} (here {Sz}). The KLd displays striking di↵erencesin the two phases (Fig. 2): we find KLGOE = 2 [67], andKLPoisson ⇠ ln dimH.

(ii) Entanglement entropy (EE). Beyond level statis-tics, EE provides a quantitative tool to characterize howinformation is spread from one part of the system toan other [7]. In the ergodic regime well described bythe ETH, the reduced density matrix ⇢A of a typicaleigenstate is expected to be thermal, yielding a volume-law scaling (with the subsystem A size) for the entan-glement entropy SE = �Tr⇢A ln ⇢A. Conversely, local-ized eigenstates display a much smaller entanglement,expected to cross-over towards an area-law scaling [7, 20]when the subsystem size exceeds the localization length.These di↵erent scalings of SE allow to distinguish bothregimes (Fig. 3). In the same spirit, we expect bipar-tite fluctuations of the subsystem magnetization Sz

A [44]

F = h(SzA)

2i � hSzAi2 to exhibit similar scaling (Fig. 4).

(iii) Fock space localization. Another characterizationof MBL relies on inverse participation ratios and associ-ated participation entropies (PE), traditionally used inthe context of single particle localization [45–47] and re-cently for many-body physics [48]. Here the localizationis studied in the Fock space (of dimension dimH) of spinconfigurations via the disorder average PEs SP

q , definedfor any eigenstate represented in the Sz basis by {| i i}by SP

q = 11�q ln

Pi p

qi . We generically find eigenstates to

be delocalized in both regimes with qualitatively di↵erentfeatures. In the ergodic regime, we obtain a leading scal-ing SP

q = aq ln(dimH) with aq ⇡ 1 8q (see color codingof a1 in Fig. 1). In the localized phase, PE grow withsystem size (Fig. 5) with either a small but finite valueof the leading coe�cient aq ⌧ 1, or with aq = 0 withinerror bars but with a log divergence SP

q / lq ln(ln dimH),indicating a non-trivial multi-fractal behavior.

Numerical method — We now present the numericaltechnique used to build the phase diagram of Fig. 1. Thecomplete diagonalization of the non-translation invariantHamiltonian Eq. 1 is out of reach for too large L. Sim-ilar to what is done for the Anderson localization (seee.g. [47]), we restricted ourselves to certain energy slicesin the spectrum by using a shift-invert spectral transfor-mation (H � �I)�1, and applying Krylov space meth-ods [49] to compute the eigenpairs closest to the shift �.For each disorder realization, we first calculate extremaeigenenergies E0 and Emax used to define the normalizedenergy target ✏ = (E�Emax)/(E0�Emax) (we consideredthe Sz = 0 sector of even-sized L = 14, 16, 18, 20, 22 andSz = 1 sector of L = 15, 17, 19). The shift-invert method,based on a massively parallel LU decomposition [50, 51],is then used to calculate at least 50 eigenpairs with ener-gies closest to the targets ✏ = {0.05, 0.1, . . . 0.95}. Note

0 2 4 6 80

1

coupled ladders

isolated ladders

spin Peierls chain

spin 1 chain

QMC

0.5

1

x(%)

T �G(x)

BiCu2PO6

SrCu2O3

PbNi2V2O8

CuGeO3

Experiment at LPS Orsay

mardi 14 juin 16