Within the M2 program we offer two interdisciplinary minors, common to both the M2 Physics and M2 Chemistry. They require the of obtention of a minimum number of credits in specific courses, listed below.
At least 12 ECTS to be obtained among the following courses
Machine Learning
Pierre Borgnat (CNRS, LPENSL), Kinan Abbas (ENSL, LPENSL)
P. Borgnat ; K. Abbas
Introduction niveau M1 au traitement du signal
These lectures will cover modern techniques in the domain of Machine Learning, giving a glimpse into the current and actual techniques of ML and AI. It will be organised in three parts:
A modern vision about what is Machine Learning, covering topics including CNN, Deep Learning, general view of Representation Learning, how to train a model, how to leverage advances optimisation for that, and how to use (and split) data in a robust way. The students are supposed to be familiar with classical Machine Learning.
A specific part on data over networks or graphs, currently a very active research domain, and we will discuss differents versions of ML on graphs that emerged during the recent years (especially the GNNs and the message-passing framework)
Representation learning with VAE, GAN and a glimpse into transformer architectures.
Ecrit et Projet
Fundamentals in computer science
Stephan Thomassé
Introduction aux graphes, théorie du calcul et applications aux automates cellulaires, complexité informatique.
Ecrit
Methods in complex systems
Nicolas Garnier (Laboratoire de Physique, ENS de Lyon)
N. Garnier
T. Nguyen-Huu
Physique statistique. Connaissances de niveau M1 en probabilité, fonctions aléatoires, statistiques.
Le module discutera de l'étude et de la modélisation des systèmes complexes à travers plusieurs variantes générales d'approches permettant leur analyse, leur description et leur modélisation :
1) Les approches par systèmes dynamiques, potentiellement multi-dimensionnels, linéaires ou non-linéaires, régis par des EDO ou des EDP (exemple : les processus épidémiologiques par des modèles compartimentaux, les modèles de dynamique des populations,...)
2) Les méthodes de description statistique de phénomènes, soit en temps que processus dynamiques tels que des marches aléatoires, les différents types de diffusion, les processus de transmission d'information (gossip, consensus, percolation,...).
3) La théorie de l'information qui perlmet de quantifier l'innovation ou l'incertitude dans des mesures, des relations entre différentes observations, et ses liens avec la physique statistique
4) Les approches multi-agents des phénomènes complexes.
L'objectif est de se familiariser sur les outils et modèles employés pour décrire des phénomènes complexes, et d'apprendre les méthodes formalisées pour cela.
Ecrit et projet.
Complex Networks
Remy Cazabet (associate professor at Sorbonne Université, Paris; on Leave from LIRIS, Université Lyon 1)
Pierre Borgnat (CNRS, LP ENSL)
Alexandre Nicolas (CNRS, ILM)
Remy Cazabet (associate professor at Sorbonne Université, Paris; on Leave from LIRIS, Université Lyon 1)
Pierre Borgnat (CNRS, LP ENSL)
Alexandre Nicolas (CNRS, ILM)
The class covers two main parts
A) Fundamentals of Network Science -- static properties of graphs (Rémy Cazabet and Pierre Borgnat)
- Classic random graph models
- Definition and use of centrality metrics
- Small-world phenomenon
- Etc.
B) Dynamic processes on networks (Alexandre Nicolas)
- Microscopic rules on the network: from physical interactions to individual decisions
- Theoretical approaches on simple networks: mean-field approach, percolation, etc.
- Flow networks: notion of capacity constraint, user vs. system equilibrium, basics of game theory
- Stochastic dynamics on networks: transition matrix, equation of evolution, mixing time, spectral properties
The course is composed of 24h of lectures, and 6 hours of tutorial (TP).
Data analysis and modeling
Adrien Meynard (ENSL, LPENSL) ; Giuseppe Petrillo (CNRS, LPENSL et IXXI)
Adrien Meynard ; Giuseppe Petrillo
Introduction to Signal processing at M1 level.
The formation will cover advanced data analysis and modeling methods. Real-world data are more and more of a nature which escapes the simple hypotheses of low-dimensional, stationary and/or Gaussian data. They are most often multivariate, multi-dimensional, multi-scale, evolving, on sparse support (e.g. point processes), and/or involve relational properties in addition to attributes, features or labels. The lectures will cover methods to analyse and model these types of complex data. It relies on techniques coming from statistics, physics, signal processing, machine learning, spectral analysis,... They can be useful to many real-world data, including out-of-equilibrium and evolving settings, real-world sensors, acoustic data, complex data such as biological data, epidemics, earthquakes, social data or networks, technological networks (sensors, telecommunications, or transports),...
Projet et Rapport
Modeling in Biology and Medecine
Benjamin Audit
B. Audit
L. Pujo-Menjouet
O. Gandrillon
Ce cours introduit les étudiants à la modélisation en médecine et biologie, par des exempes et des méthodes. La modélisation des systèmes biologiques ou en médecine seront abordée à travers des modèles mathématiques, physiques, statistiques ou par de la simulation. Le but est d'initier concrètement les étudiants à la simulation et de les aider à comprendre sur des cas concrets les approches et les enjeux de la modélisation dans ce domaine.
Ecrit et projet
Research in complex systems
Sarah Franceschelli
S. Franceschelli
P. Borgnat
When is a model a good model?
-> Epistemological perspectives on mathematical modellingHow tools are changing science; Anthropology and epistemology of technics of the intellect
Panorama of Research in Complex Systems, and a bit of history
Modeling of social systems
Pablo Jensen
Ces dernières années, la modélisation des systèmes sociaux a connu une forte expansion. Le nombre de publications a été multiplié par dix en cinq ans. Les raisons sont multiples, allant de l'importance des applications possibles, la disponibilité de plus en plus grande de données numérisées (localisations, Internet, publications, téléphones portables, vélov ...) ainsi que la puissance des ordinateurs et outils mathématiques pour analyser les grandes bases de données.
Après un historique du domaine, ce cours présentera des exemples de modèles simplifiés, des sociétés virtuelles faciles à analyser:
- Schelling et la ségrégation raciale;
- Modèles d'interaction sociale entre individus à la Ising;
- Modèles multi-agents: marchés immobiliers, trafic automobile, piétons.
Il présentera ensuite des exemples de traitements de données réelles, à l'aide d'outils récents comme les réseaux.
En conclusion, le cours aborde l'épistémologie des sciences sociales, la difficulté de leur modélisation, en introduisant la notion de capacité proposée par la philosophe britannique Nancy Cartwright.
écrit
plus at least 12 ECTS to be obtained in the courses of the M2 Physics or Chemistry curriculum (depending on your Major).
At least 15 ECTS to be obtained among the following courses
Advanced Computational Statistical Physics
Ralf Everaers
Ralf Everaers
Physique statistique L3 and M1
Physique numérique L3
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
Mini-projet et examen écrit
- 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
Computational Quantum Physics
Fabio Mezzacapo
Fabio Mezzacapo
Nick Giovanoudis
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).
Dynamics of Planetary Interiors
Stéphane Labrosse
Stéphane Labrosse
Chloé Michaut
Thierry Alboussière
Bonne connaissance de la physique classique (mécanique des milieux continus, mécanique des fluides, thermodynamique, électromagnétisme).
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.
Rapport de projet (50%) et soutenance orale (50%)
Machine Learning
Pierre Borgnat (CNRS, LPENSL), Kinan Abbas (ENSL, LPENSL)
P. Borgnat ; K. Abbas
Introduction niveau M1 au traitement du signal
These lectures will cover modern techniques in the domain of Machine Learning, giving a glimpse into the current and actual techniques of ML and AI. It will be organised in three parts:
A modern vision about what is Machine Learning, covering topics including CNN, Deep Learning, general view of Representation Learning, how to train a model, how to leverage advances optimisation for that, and how to use (and split) data in a robust way. The students are supposed to be familiar with classical Machine Learning.
A specific part on data over networks or graphs, currently a very active research domain, and we will discuss differents versions of ML on graphs that emerged during the recent years (especially the GNNs and the message-passing framework)
Representation learning with VAE, GAN and a glimpse into transformer architectures.
Ecrit et Projet
Chimie computationnelle
Agilio PADUA
Agilio PADUA
Vijay Gopal CHILKURI (Univ. Aix-Marseille)
Tangui LE BAHERS (ENS de Lyon)
Natacha GILLET (CNRS, Lyon)
CHIM4105 – Modélisation quantique des molécules
CHIM4106 – Modélisation quantique des matériaux
CHIM4211 – Dynamique moléculaire
PHYS4213 – Simulations numériques et thermodynamique statistique
Ce cours présente des méthodes avancées de chimie computationnelle permettant de décrire les molécules et les matériaux, allant des approches quantiques et classiques aux méthodes hybrides qui les combinent. Dispensé par des chercheurs qui développent et appliquent activement ces méthodes, ce cours permet aux étudiants de se familiariser directement avec les recherches actuelles à la pointe de ce domaine.
L'enseignement associe des cours magistraux et des travaux pratiques portant sur :
- Les méthodes post-Hartree-Fock, y compris la corrélation électronique.
- La modélisation des états triplets.
- La dynamique moléculaire hybride quantique/classique (QM/MM) des biomolécules.
Contrôle continu.
Chimie computationnelle avancée
Agilio PADUA
Rodolphe VUILLEUMIER (ENS-PSL)
Claire LOISON (CNRS, Lyon)
Anne MILET (Univ. Grenoble Alpes)
Agilio PADUA (ENS de Lyon)
CHIM4105 – Modélisation quantique des molécules
CHIM4106 – Modélisation quantique des matériaux
CHIM4211 – Dynamique moléculaire
PHYS4213 – Simulations numériques et thermodynamique statistique
Ce cours présente des méthodes avancées de chimie computationnelle permettant de décrire les molécules et les matériaux, allant des approches quantiques et classiques aux méthodes hybrides qui les combinent. Dispensé par des chercheurs qui développent et appliquent activement ces méthodes, ce cours permet aux étudiants de se familiariser directement avec les recherches actuelles à la pointe de ce domaine.
L'enseignement associe des cours magistraux et des travaux pratiques portant sur :
- Dynamique moléculaire ab initio à l'aide du code CP2K.
- Modèles de Markov (Markov state models) pour l'analyse de trajectoires.
- Décomposition de l'énergie par théorie des perturbations adaptée à la symétrie (Symmetry-Adapted Perturbation Theory).
- Champs de force polarisables pour les ions, molécules et matériaux.
Contrôle continu.
Photophysique et photochimie théoriques
Thomas Niehaus
Thomas NIEHAUS
Quantum mechanics L3 or equivalent.
L’interaction entre la lumière et la matière joue un rôle essentiel dans de nombreuses applications technologiques, allant de l’optoélectronique au photovoltaïque, et revêt également une grande importance en biochimie. Ce cours s’intéresse aux processus qui se produisent après l’absorption de la lumière par la matière : comment l’énergie acquise est transportée, comment elle conduit à des photoréactions souhaitées ou indésirables, puis comment elle est finalement dissipée dans l’environnement. Situé à l’interface entre la physique et la chimie, le cours traite aussi bien des molécules que des solides et des matériaux émergents.
À l’issue de ce cours, les étudiants seront capables de comprendre et d’analyser les mécanismes fondamentaux de l’interaction lumière–matière ainsi que la dynamique des états excités dans les molécules et les solides. Ils maîtriseront les bases théoriques et numériques nécessaires à l’étude des processus photophysiques et photochimiques modernes.
Les développements théoriques, fondés sur la mécanique quantique à plusieurs corps, sont complétés par des études numériques réalisées lors des séances de travaux pratiques, qui incluent également des calculs ab-initio.
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
Projet informatique
Giovanni Granucci and Maurizio Persico, Photochemistry: A Modern Theoretical Perspective, Springer, Cham, 2018.
Vincenzo Balzani, Paola Ceroni, and Alberto Juris, Photochemistry and Photophysics: Concepts, Research, Applications, Wiley-VCH, Weinheim, 2014.
Approche quantique de la réactivité catalytique
Pascal RAYBAUD
Pascal RAYBAUD
Céline CHIZALLET
Cours du M1optionnels : modélisation quantique des molécules (CHIM4104), modélisation quantique des matériaux (CHIM4105)
Les méthodes computationnelles quantiques (théorie de la fonctionnelle de la densité notamment) permettent d’explorer la réactivité de systèmes catalytiques complexes (hétérogènes ou homogènes) utilisés industriellement ou susceptibles de l’être. Le cours montre comment les approches quantiques modernes permettent :
- de comprendre la réactivité par le calcul de propriétés catalytiques (structure du site actif, effets de taille, morphologie, mécanismes)
- d’aider à l’interprétation de résultats expérimentaux (spectroscopie, cinétique)
- de prédire des propriétés clefs pour optimiser de nouveaux catalyseurs.
Le cours aborde de nombreuses études de cas illustrant des systèmes catalytiques d’intérêts industriels : surfaces de métaux, d’oxydes, sulfures, zéolithes, agrégats métalliques supportés, systèmes organométalliques… et réactions associées (hydrogénation, hydrogénolyse, désulfuration, isomérisation, craquage, oligomérisation, …)
L’objectif est d’acquérir des compétences pour comprendre et mettre en œuvre les techniques de modélisation de catalyseurs en soutien à l’approche expérimentale.
Le cours présentera les différents aspects suivants :
Rappels fondamentaux : théorie de la fonctionnelle de la densité (généralité), approches orbitalaires et structures de bandes en surface
Choix de modèles pertinents pour la description des sites actifs : moléculaires (organométalliques), périodiques (surfaces catalytiques)
Calculs de propriétés clefs pour la catalyse : structurales, morphologiques, spectroscopiques (fréquences, déplacements chimique…), thermodynamiques et cinétiques (états de transition, énergie d’activation, profils réactionnels)
- Modélisation micro-cinétique et multi-échelle
- « Catalysis by design » : vers la prédiction de descripteurs quantiques et relation structure-activité
Examen écrit
- R.G. Parr, W. Yang, « Density-Functional Theory of Atoms and Molecules », Oxford University Press, New York, 1989.
- Solids and Surfaces, A chemist’s View of Bonding in Extended Structures. R. Hoffmann. Book. VCH Publishers, Inc. (1988)
- A chemical and theoretical way to look at bonding on surfaces. R. Hoffmann. Review of Modern Physics. 60 (1988) 601.
- Theoretical Surface Science and Catalysis - Calculations and Concepts. B. Hammer, J. Norskov. Advances in Catalysis 45 (2000) 71.
- Modélisation Moléculaire – Bases théoriques (J 1 011, J 1 012, J 1 013) – Mise en œuvre (J 1 014) – Offre de logiciels et Perspectives (J 1 015). Hervé Toulhoat. Editions Techniques de l’Ingénieur.
- Ab-Initio Simulations of Materials Using VASP: Density-Functional Theory and Beyond. J. Hafner. Journal of Computational Chemistry 29 (2008) 2044.
- Density functional theory simulations of complex catalytic materials in reactive environments: beyond the ideal surface at low coverage. C. Chizallet and P. Raybaud. Catalysis Science & Technology 4 (2014) 2797.
Projet numérique
Ralf Everaers (Physique), Agilio Padua (Chimie)
Elham Ghobadpour
Python
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 practices 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
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.
Bibliographic project
Agilio Padua
Winter School in Computational Chemistry or Physics
Agilio PADUA
Ralf EVERAERS
CHIM4105 – Modélisation quantique des molécules
CHIM4106 – Modélisation quantique des matériaux
CHIM4211 – Dynamique moléculaire
PHYS4213 – Simulations numériques et thermodynamique statistique
Des winter schools de niveau master/doctorat dans les domaines de la chimie ou de la physique computationnelles, visant à illustrer l'application des méthodes abordées au cours du premier semestre à des thèmes d'actualité dans le domaine de la recherche.
Une winter school du réseau RCTF/Themosia est organisée à Lyon ou à Marseille au cours des troisième et quatrième semaines de janvier ; elle aborde des thèmes d'actualité en chimie computationnelle, qui varient d'une année à l'autre.
MolSim, à Amsterdam, est une winter school prestigieuse consacrée à la simulation moléculaire, qui se tient chaque année au cours des deuxième et troisième semaines de janvier. Elle propose un programme axé sur les méthodes de simulation moléculaire, tant fondamentales qu'avancées, en physique, chimie ou biologie.
Contrôle continu.
plus at least 12 ECTS to be obtained in the courses of the M2 Physics or Chemistry curriculum (depending on your Major), possibly including courses already present in the above list.
See the planning of the M2 Physics or M2 Chemistry.
