The year is divided into two semesters (semesters 3 and 4 of the Master). The first semester (S3) lasts from the beginning of September to the end of January. The second semester (S4) starts at the beginning of February. Each semester is validated by a minimum of 30 ECTS. See the Schedule
Third semester
Here are the Courses specific to the M2 Orientation "Numerical Modeling". These specific courses can be completed by courses from the M2 Orientation "Physics, Concepts and Applications" or "Chemistry Concepts and Applications".
Please note that some Courses are organized over several periods of the S3 Semester.
Title (en)
Advanced Computational Statistical Physics
Ralf Everaers
Ralf Everaers
Statistical Physics deals with behavior that emerges from the interactions of many particles. Since exact analytical solutions of the governing equations only exist for a small number of models, computer simulations have become an indispensable tool in the field and neighboring disciplines like Condensed Matter Physics, Theoretical and Physical Chemistry, Chemical and Biological Physics.
The cours introduces the methods employed for exploring the static and dynamic properties of particle based systems on an advanced level. Computational exercises, where these methods are applied to simple, but powerful models, form an integral part of the module.
- Molecular Dynamics Simulations for the exploration of emergent dynamic properties
- TD: Integrating Newton’s equations of motion for continuous potentials: The secret behind the Verlet algorithm
- Liouville formulation of symplectic and multiple-timestep integrators
- Langevin dynamics
- Thermodynamic averages, fluctuations and transformations between ensembles
- Linear response and Green-Kubo relations for transport coefficients
- TD: MD simulations of Lennard-Jones liquids
- Non-equilibrium Molecular Dynamics
- Monte Carlo Simulations for the exploration of emergent static properties
- Exact enumeration of small systems: Reweighting and the exact evaluation of partition functions
- Monte Carlo simulations
- Simple Sampling: Statistical errors and the limits of reweighting
- Importance Sampling: The Metropolis algorithm; Statistical errors, dynamical correlations and the power of well-designed trial moves: Glauber vs. Kawasaki vs Cluster moves for spin systems; Simulating polymers; Quenched disorder: spin glasses; Other ensembles.
- TD: Monte Carlo simulations of the Ising model
- Free energies
- Widom insertion and thermodynamic integration
- TD: free energy of a methane molecule in water from TI (L. Monticelli)
- Advanced techniques:
- TD: The density of states of the Ising model from Multihistogram analysis/WHAM
- TD: Protein binding energies from Umbrella Sampling and Steered Molecular Dynamics (L. Monticelli)
- Widom insertion and thermodynamic integration
- Exploring Rare events
- (sampling) transition states and paths
- Kinetic Monte Carlo
- Frenkel and Smit, Understanding Molecular Simulation
- Allen and Tildesley, Computer Simulation of Liquids
- Landau and Binder, A Guide to Monte Carlo Simulations in Statistical Physics
- Krauth, Algorithms and Computations
Physique statistique L3 and M1
Physique numérique L3
Mini-projet et examen écrit
Title (en)
Quantum approach of catalytic reactivity
Pascal Raybaud (IFPEN)
P. Raybaud
+ un intervenant extérieur (IFPEN)
Les avancées des méthodes quantiques (théorie de la fonctionnelle de la densité notamment) permettent aujourd’hui d’explorer la réactivité de systèmes catalytiques complexes (hétérogènes ou homogènes) utilisés industriellement ou susceptibles de l’être. Le cours illustre comment les approches quantiques modernes permettent :de comprendre la réactivité par le calcul de propriétés catalytiques ; d’aider à l’interprétation de résultats expérimentaux ; de prédire des propriétés clefs pour optimiser de nouveaux catalyseurs. Le cours abordera de nombreuses études de cas illustrant des systèmes d’intérêts industriels : surfaces de métaux, d’oxydes, sulfures, zéolithes, agrégats métalliques supportés, systèmes organométalliques… et réactions associées d’hydrogénation, hydrogénolyse, désulfuration, isomérisation, craquage, oligomérisation, …
1/Rappels fondamentaux : théorie de la fonctionnelle de la densité (hypothèses majeures), approches orbitalaires, structures de bandes dans un solide et en surface, logiciels académiques/commerciaux
2/Choix de modèles pertinents pour la description des sites actifs: moléculaires (organométalliques), périodiques (surfaces catalytiques)
3/Calculs de propriétés clefs en catalyse: structure, spectroscopie, thermodynamique et cinétique
4/Modélisation micro-cinétique et multi-échelle
5/« Catalysis by design » : vers la prédiction de descripteurs quantiques et relation structure-activité
R.G. Parr, W. Yang, « Density-Functional Theory of Atoms and Molecules », Oxford University Press, New York, 1989.
A chemical and theoretical way to look at bonding on surfaces. R. Hoffmann. Review of Modern Physics. 60 (1988) 601.
UE en lien avec la réactivité chimique ou la catalyse, ou la physico-chimie des matériaux (note : seules les notions minimales utiles seront introduites) ;
UE en lien avec les principaux fondamentaux en chimie théorique (note : les principes de la DFT utiles seront introduits 3h)
Examen final écrit de 1h30.
Title (en)
Theoretical photophysics and -chemistry
Thomas Niehaus
The light-matter interaction is important for a variety of technological applications ranging from optoelectronics to photovoltaics and relevant for biochemistry. This course addresses the question what happens after light is absorbed by matter, how the acquired energy is transported, leads to desired and undesired photoreactions and is finally released to the environment. The course is situated at the border of physics and chemistry and deals with molecules as well as with solids and new materials.
For more details you can find a presentation of the course on YouTube.
Theoretical considerations at the level of many-body quantum mechanics are accompanied by numerical studies in the practical sessions, which also cover some first principles calculations.
Chapter 1: Introduction to photochemistry
Keywords: Spectral irradiance, quantum yields, photochemical kinetics
Chapter 2: Molecular states
Keywords: Born-Oppenheimer approximation, Classification of excited states
Chapter 3: First principles methods for excited states
Keywords: TDDFT
Chapter 4: Electronic excitation and decay
Keywords: Vibrationally resolved spectra, Huang-Rhys factors, Kasha rule
Chapter 5: Wavepacket dynamics
Keywords: Franck-Condon excitation
Chapter 6: Non-adiabatic dynamics
Keywords: Conical intersections, Landau-Zener model, Surface Hopping and Ehrenfest dynamics
Chapter 7: Charge and energy transfer
Keywords: Förster/Dexter exciton transfer, H/J aggregates
Chapter 8: Photophysical properties of solids
Keywords: Intra- and interband absorption, Wannier-Mott excitons, Frenkel excitons, CT excitons
Quantum mechanics L3 or equivalent.
CP (30%, written) + ET (70%, computational project) if mark of CP > ET, ET (100%, computational project) otherwise.
Title (en)
Computational Project
Ralf Everaers (Physique) et Agilio Padua (Chimie)
The module is composed of two parts:
- 24h of practical exercises (TP) introducing advanced tools of Scientific Software Development during S3a
- Individual computational projects supervised by researchers and professors from ENS de Lyon and UCBL during S3, which further develop an aspect of a computational module of the Master: Students have to find a mentor willing to supervise and host a 24h computational project in their Lab (24h is the minimal time you should be spending with your supervisor working on your project, eg. 6x4h, or 3x8h).
- Acquire skills and a culture of best practice in Scientific Software Development
- Train in the framework of a small and individually supervised computational project in a scientific domain of the student's choice
in time to be able to apply these techniques in a computational MSc/PhD research project.
24h of practical exercises (TP) introducing advanced tools of Scientific Software Development:
- Shell scripts and Python notebooks as glue code
- Modular, reusable software design
- Effective collaborative development with multiple co-authors
- Version control and release cycles
- Automated testing frameworks
- Structured documentation
- Management of open source scientific packages
- Continuous integration & deployment
- Conversational development
- Systematic debugging
- Mixing programming languages
Python
We expect a ten-page long report summarizing the physics concept required to understand the simulations, a clear presentation of the numerical setup, and of the main results.
Title (en)
Computational fluid dynamics
Guillaume Laibe
G. Laibre
E. Levèque
A. Venaille
Numerical simulations have become a key device of physicists’ toolbox, making it possible to study systems that have no analytic solutions, or for which the experiment is difficult, or even impossible. The CFD module is designed to deliver essentials of the art of computational hydrodynamics: choice and relevance of the discretisation method, design for stability and accuracy, implementation of different physical processes. The ubiquity of the principles will be demonstrated through problems ranging from flows at the laboratory scale up to the atmospheric and astrophysical flows.
- Introduce general concepts of computational fluid dynamics and numerical methods : stability and accuracy,
- Present different methods with their respective strengths and weaknesses,
- Applications to real physical systems
- Hands on with the help of sample codes and jupyter notebooks
- Multi-physics fluid dynamics : Lattice Boltzmann method.
- Geophysical fluid dynamics : Finite differences.
- Astrophysical fluid dynamics : Smooth Particle Hydrodynamics, Godunov methods.
- Toro : Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics
- Violeau : Fluid Mechanics and the SPH method
- Krüger et al. : The Lattice Boltzmann Method: Principles and practice
- Numerical methods for fluid dynamics - with applications to geophysics, Dale Durran
Outils numériques et programmation (L3)
A report highlighting the relevance of a numerical method for a flow problem.
Title (en)
Computational Quantum Physics
Tommaso Roscilde
Tommaso Roscilde
Fabio Mezzacapo
The quantum many-body problem represents one of the biggest scientific challenges of modern science, due to the exponential growth of the complexity of quantum systems with their size. This course aims at introducing some of the most successful methods for the numerical simulation of quantum many-body systems -- from condensed matter and statistical physics to quantum chemistry.
1) Introduction to the complexity of the quantum many-body problem (1h);
2) Exact diagonalization and its limitations (3h);
3) Variational approaches; the Monte Carlo method, and variational Monte Carlo for physics and chemistry (4h);
4) Improving on the variational approach: diffusion Monte Carlo, fixed-node approximation for strongly interacting fermions (4h);
5) Density-matrix approaches and tensor-network Ansätze for lattice quantum systems and beyond (4h);
6) Path-integral Monte Carlo methods for systems in continuous space: applications to quantum fluids and solids (4h);
7) Path-integral Monte Carlo methods (and variants) for systems on lattice: applications to condensed matter, statistical physics, etc. (4h).
The TD sessions will be hands-on, aimed at programming simple instances of some of the methods presented in the course.
The exam will be based on a report (written or oral) of either a work in the recent literature, or of an original coding project chosen by the students (either as individuals, or in two-student teams).
Title (en)
Advanced Computational Chemistry
Agilio Padua
Pierre-François Loos, CNRS Toulouse
Natacha Gillet, CNRS Lyon
Anne Milet, Univ Grenoble Alpes
The first half of this course can be taken as a stand-alone course "CHIM5110 Computational Chemistry - 3 ECTS".
This course covers advanced methods in computational chemistry, through lectures and computational lab sessions by specialists:
- post-Hartree-Fock methods describing electron correlation, namely perturbation and coupled-cluster methods (8h),
- hybrid QM/MM quantum-classical simulation (5h),
- energy decomposition using Symmetry Adapted Perturbation Theory (5h).
Essential knowledge on computational chemistry (Hartree-Fock, DFT) from M1 level is required.
Written or oral exam depending on the number of students.
Title (en)
Quantum approach of catalytic reactivity
Pascal Raybaud (IFPEN)
P. Raybaud
+ un intervenant extérieur (IFPEN)
Les avancées des méthodes quantiques (théorie de la fonctionnelle de la densité notamment) permettent aujourd’hui d’explorer la réactivité de systèmes catalytiques complexes (hétérogènes ou homogènes) utilisés industriellement ou susceptibles de l’être. Le cours illustre comment les approches quantiques modernes permettent :de comprendre la réactivité par le calcul de propriétés catalytiques ; d’aider à l’interprétation de résultats expérimentaux ; de prédire des propriétés clefs pour optimiser de nouveaux catalyseurs. Le cours abordera de nombreuses études de cas illustrant des systèmes d’intérêts industriels : surfaces de métaux, d’oxydes, sulfures, zéolithes, agrégats métalliques supportés, systèmes organométalliques… et réactions associées d’hydrogénation, hydrogénolyse, désulfuration, isomérisation, craquage, oligomérisation, …
1/Rappels fondamentaux : théorie de la fonctionnelle de la densité (hypothèses majeures), approches orbitalaires, structures de bandes dans un solide et en surface, logiciels académiques/commerciaux
2/Choix de modèles pertinents pour la description des sites actifs: moléculaires (organométalliques), périodiques (surfaces catalytiques)
3/Calculs de propriétés clefs en catalyse: structure, spectroscopie, thermodynamique et cinétique
4/Modélisation micro-cinétique et multi-échelle
5/« Catalysis by design » : vers la prédiction de descripteurs quantiques et relation structure-activité
R.G. Parr, W. Yang, « Density-Functional Theory of Atoms and Molecules », Oxford University Press, New York, 1989.
A chemical and theoretical way to look at bonding on surfaces. R. Hoffmann. Review of Modern Physics. 60 (1988) 601.
UE en lien avec la réactivité chimique ou la catalyse, ou la physico-chimie des matériaux (note : seules les notions minimales utiles seront introduites) ;
UE en lien avec les principaux fondamentaux en chimie théorique (note : les principes de la DFT utiles seront introduits 3h)
Examen final écrit de 1h30.
Title (en)
Geophysics
Stéphane Labrosse
Stéphane Labrosse
Chloé Michaut
Thierry Alboussière
L'intérieur de la Terre est composé d'un manteau rocheux proche de sa température de fusion, et d'un noyau dont la partie externe est un océan profond de métal liquide. Ces enveloppes du globe restent inaccessibles aux observations directes. Leurs dynamiques sont pourtant à l'origine de phénomènes naturels majeurs : les tremblements de Terre, les volcans, la dérive des continents, la génération du champ magnétique, les variations de la durée du jour. Il s'agit dans cette unité d'enseignement d'acquérir les fondamentaux de la physique permettant de décrire la dynamique du manteau et du noyau terrestre, et de manipuler les modèles pour comprendre les observations géophysiques de premier ordre et proposer des scénarii d'évolution à long terme des planètes.
Ce cours utilise une pédagogie par projet. Il s'agira de mener un projet de modélisation en géophysique interne ou planétologie afin de répondre à une question scientifique. Le projet est construit de A à Z par l'étudiant avec l'équipe pédagogique en soutien. La première séance fixe le cadre organisationnel et scientifique avec quelques bases et les enseignants proposent quelques idées de projets. Les séances qui suivront serviront à accompagner les étudiants dans l'avancée de leur projet, que ce soit sur les concepts, les expériences/calculs ou l'acquisition d'outils techniques. L’UE est évaluée par un rapport et une soutenance début janvier. L’accent est mis sur la démarche scientifique plutôt que sur les résultats, forcément limités sur une courte durée.
Bonne connaissance de la physique classique (mécanique des milieux continus, mécanique des fluides, thermodynamique, électromagnétisme).
Rapport de projet (50%) et soutenance orale (50%)
Title (en)
Advanced Topics in Computational Physics and Chemistry : Literature project and seminar
Ralf Everaers (Physique) et Agilio Padua (Chimie)
Students prepare a written report and an oral presentation on the subject of their computational research internship in the final S4 semester of the master program, where they summarize and explain the scientific background and state-of-the art based on a literature study guided by their supervisor.
Students learn to prepare a research project, to write a summary report, and to explain their research area to their peers are immediately operational from the start of their research internship.
Title (en)
Winter School in Computational Chemistry or Physics
Agilio Padua et Ralf Everaers
Winter schools at the MSc/PhD level in the field illustrate the application of the methods covered in S3a and S3b to topics of current interest in research.
The RFCT Winter school in Lyon and Marseille is organized in the third and forth week of January and covers modern problems in computational chemistry, from biomolecules to material sciences, and with an adequate range of techniques.
MolSim-2023 in Amsterdam is organized in the second and third week of January and offers a program focusing on basic and advanced molecular simulation methods in physics, chemistry or biology. The use of quantum computing methods in molecular simulation will be a special focus area of the 2023 edition of the school.
Fourth semester
The course is organized so that students are in a long research internship during 6 months, from February to July, validating 30 ECTS. The internship can be carried out in Physics or Chemistry but must contain aspects of numerical modeling.
Title (en)
6 month internship in Physics
Le stage de recherche dure au minimum 24 semaines de début février à fin juillet.
Un projet de stage devra être déposé par chaque étudiant.e avant le 15 décembre.
Soutenances des stages : début septembre
Rapport écrit et soutenance orale
Title (en)
6-month Research Internship in Chemistry
Andrew PELL
Ce stage qui dure tout le semestre, permet d'acquérir une vraie expérience en laboratoire de recherche. L'étudiant.e choisira librement son laboratoire d'accueil en France, en Europe ou en Outre-mer avec l'accord des responsables de formation.
Un jury est composé spécifiquement pour chaque stage en invitant deux membres experts du sujet.
Mener en laboratoire un projet de recherche individuel sur un temps "long" ; Mettre en oeuvre un protocole de recherche, de sa conception à la rédaction d'un rapport ; Acquérir une expérience de recherche sur un format préparant à la thèse ; Apprendre à communiquer ses résultats avec rigueur, devant un public expert ; Débattre de ces résultats
Stage de 5 mois minimum à effectuer entre fin janvier et fin juillet dans le domaine de la recherche en chimie, dans un laboratoire académique sauf cas particulier (Doubles Diplômes EPFL/Centrale/Polimi); sujet dans la continuité du rapport bibliographique
Rapport d'une trentaine de pages + soutenance orale d'une durée totale de 30 minutes