Colloquium 2009-2010
2009-2010
Monday, July 5th, 11AM:
Complex depletion forces: from competing interactions to the critical Casimir effect
Roberto Piazza (Politecnico di Milano, Italy)
The investigation of the equilibrium properties of dispersions of particles in the colloidal size range is a powerful tool to test basic theoretical models in statistical mechanics and condensed matter physics. Because the effective interaction potential between colloidal particles can be tuned by varying the solvent properties, colloids can indeed be prepared as model systems, which display the same structural properties of an assemblage of "big atoms" interacting via simple, well-defined forces. In particular, the study of very short-ranged attractive forces induced by macromolecular or self-assembled additives ("depletion forces") has yielded valuable and often unforeseen insights on the contingency of the liquid state and on the origin of metastable gel or glassy phases.
Most experimental studies of the effects brought in a colloidal suspensions by the presence of depletion forces have so far been performed on systems where the depletion agent can be regarded as ideal or weakly interacting. Here, I shall conversely deal with situations where interactions or long-range spatial correlations are of primary importance in setting the phase behavior of the colloidal fluid. After reviewing our recent work [1, 2], where we exploited sedimentation measurements to extract accurate equations of state and to unravel fine details of the phase diagram, I shall mainly discuss two "paradigmatic" situations: Depletants self-interacting via strong electrostatic forces, where, in spite of the structural correlations induced by the repulsion, much stronger depletion effects are observed, together with subtle changes in the competition between crystallization and kinetic arrest [3]. "Critical" depletion, i.e. depletants that, although being almost ideal at room temperature, show a liquid-liquid phase separation with the solvent at higher T. Here depletion forces can be amplified by order of magnitudes by the presence of long-range spatial correlation, due the proximity of the critical demixing point. In particular, I shall show that depletion effects merge continuously into critical Casimir effects, displaying interesting scaling properties. Our results suggests an unified view of these two apparently unrelated phenomena [4]. Both these situations may be related to biological self-organization processes where depletion forces are believed to play a significant role, ranging from protein folding to DNA compaction, from actin bundling to biomembrane compartmentation.
References
[1] S. Buzzaccaro, R. Rusconi, and R. Piazza, Phys. Rev.Lett. 99, 098301 (2007)
[2] S. Buzzaccaro, A.Tripodi, R. Rusconi, D, Vigolo, and R. Piazza, J. Phys.: Cond. Matt. 20, 494219 (2008)
[3] S. Buzzaccaro, R. Piazza, J. Colombo, and A. Parola, Enhancement of depletion forces by electrostatic depletant repulsion, J. Chem. Phys. 132, 124902 (2010)
[4] S. Buzzaccaro, R. Piazza, J. Colombo, and A. Parola, Critical depletion, submitted to the International Scientific Lottery (better known as Science).
Monday, June 28th, 11AM:
Quelques problèmes en turbulence MHD, et comment s'en sortir (Attention, en salle 117 !!)
Annick Pouquet (NCAR, Boulder, USA)
Je commencerai cet exposé par une brève revue sélective de certaines des données observationnelles concernant la turbulence magnétohydrodynamique (MHD), principalement dans la photosphère solaire et le vent solaire.
J´evoquerai ensuite certains résultats exacts (peu nombreux) et ce qu'ils nous apprennent sur cette turbulence, ainsi que les différents modèles phénoménologiques que l'on peut construire pour la décrire.
Deux résultats, obtenus relativement récemment, pourraient mériter notre attention:
1. Il y a maintenant une confluence d'arguments (théoriques, observationnels et numériques) indiquant que l'universalité supposée de la turbulence est brisée en MHD même dans le cas le plus simple, incompressible et sans effet plasmas. Cet état de fait provient de la compétition entre ondes et turbulence et l'argument physique simple est similaire au cas de la turbulence en rotation en présence d'hélicité, bien que le précédant: c'est vraisemblablement le rapport des deux temps caractéristiques du problème (hormis la dissipation), le temps de retournement non-linéaire et la période des ondes.
2. Certaines des structures qui se développent dans ces écoulements, comme les nappes enroulées de vorticité et de courant, ont été souvent observées dans le vent solaire, en particulier en ce qui concerne les (quasi-) discontinuités rotationnelles.
Si le temps le permet, j'évoquerai ce que la modélisation permet de faire, motivée par la faible capacité des ordinateurs d'aujourd'hui quand on veut examiner numériquement les écoulements astro et géophysiques à grand nombre de Reynolds et à grand ou faible nombre de Prandtl magnétique, dans le premier cas dans le milieu interstellaire, dans le second cas dans la photosphère solaire ou les métaux liquides de laboratoire.
Monday, June 21st, 11AM:
Turbulence d'ondes
La turbulence d'ondes concerne l'étude des propriétés dynamiques et statistiques d'un ensemble d'ondes en interaction non linéaire. Bien que présente dans des situations très variées (ondes à la surface de la mer, dans les plasmas astrophysiques, en matière condensée...), c'est un domaine encore peu étudié expérimentalement. Nous nous focaliserons sur la turbulence d'ondes à la surface d'un fluide et présenterons ses propriétés statistiques observées dans des expériences de laboratoire : spectre spatio-temporel et distribution de probabilité des vagues, fluctuations de puissance injectée, et intermittence. L'observation d'un nouveau régime de turbulence d'ondes magnétiques se propageant à la surface d'un fluide magnétique sera aussi discutée.
Monday, June 14th, 11AM:
Counter-ion condensation and Coulombic elasticity of biopolymers
Emmanuel Trizac (LPTMS, Orsay)
Onsager-Manning condensation is a manifestation of the long range character of the Coulombic potential in cylindrical geometry. This phenomenon is the cornerstone of our understanding of bio-polymers. Beyond a charge density threshold, counterions "condensate" onto the charged polymer. With salt (added electrolyte), which is the experimentally relevant situation, the phenomenon is more complex and has received little attention. We will show that recent mathematical advances allow to obtain analytical results in a large range of salt content. We will in particular discuss the implications of this work for the Coulombic elasticity of bio-polymers through their persistence length
Monday, June 7th, 11AM:
Advances and perspectives of quantum degenerate states of exciton-polaritons
Maxime Richard (Institut Néel, Grenoble)
xciton-polaritons are short lifetime bosonic particles that exist within adequately designed semiconductor nanostructures. They result from the strong interaction between excitons (hydrogen-like bound electron hole-pair) and photons. Due to this mixed exciton-photon nature, these particles are light enough (4 orders of magnitude lighter than a free electron) to exhibit quantum degenerate regime at cryogenic temperatures. Moreover, their photonic nature provides an easy and complete experimental access to the system observables. Thus polariton are ideal for the experimental study of dissipative Bose gases.
In the last 15 years, lasing [1], Bose-Einstein condensation [2] and more recently superfluidity [3] could be demonstrated and studied with a great wealth of details. More recently, Owing to advances in the domain of semiconductor nanostructures fabrication, new interesting perspectives have emerged: the experimental realization and study of new state of Bose gases will soon be possible, like low-dimensional Bose gas (1D quasi-condensate [4], Tonks-Girardeau liquid [5]) as well as room temperature quantum degeneracy. In this presentation, the most recent experimental observations on polaritons gases will be reviewed, and the future possible experimental realization with polariton condensates will be discussed.
[1] L. S. Dang et al., Phys. Rev. Lett., 81, 3920 (1998)
[2] J. Kasprzak et al., Nature 443, 409 (2006)
[3] A. Amo et al., Nat Phys, 5, 805 (2009)
[4] S. Richard et al., Phys. Rev. Lett., 91, 010405 (2003)
[5] T. Kinoshita et al., Science, 305, 1125 (2004)
Monday, May 31st, 11AM:
The World on a Sheet (Attention, en salle 117)
Volker Schomerus (DESY theory group, Hambourg)
While quantum gauge theories provide a very successful framework for the description of nature, they still pose tremendous computational and conceptual challenges. During the last few years, many methods from 2-dimensional statistical mechanics have made a surprising and forceful entrance into 4-dimensional gauge theory calculations. After a brief review of the underlying concepts, I will formulate a gauge theory wish-list for new developments in surface physics. A few recent developments are highlighted in the last part of the talk.
Monday, May 17th, 11AM:
Mesures de susceptibilité non linéaire dans un liquide surfondu: une mise en évidence des corrélations spatiales croissantes près de Tg.
François Ladieu (SPEC, CEA Saclay)
Lorsqu'on les refroidit suffisamment vite, la plupart des liquides ne cristallisent pas, et deviennent des liquides surfondus. Leur viscosité augmente alors extrêmement vite à mesure qu'on les refroidit encore (ralentissement visqueux) au point qu'ils deviennent solides, à l'échelle des temps macroscopiques, au dessous d'une température de transition vitreuse Tg. L'existence d'une longueur de corrélation croissante associée à ce ralentissement visqueux est une des grandes questions toujours ouvertes dans la physique des verres. Il a été récemment proposé, en utilisant des arguments théoriques très généraux, que la susceptibilité alternative non linéaire d'un liquide surfondu donne directement accès aux corrélations dynamiques qui seraient responsables du ralentissement visqueux. Comme pour les verres de spin, où la susceptibilité non linéaire diverge à la transition, cette quantité devrait permettre de dévoiler les corrélations critiques naissantes près de la transition vitreuse.
Nous avons mis au point une expérience permettant d'accéder à la susceptibilité diélectrique non linéaire de liquides surfondus. Nos premiers résultats sur le Glycérol montrent sans ambiguité que le pic de susceptibilité non linéaire augmente lorsque l'on décroit la température vers Tg. Ceci permet de déduire que le caractère collectif de la dynamique vitreuse s'accroit lorsqu'on baisse la Température. Ces résultats renforcent le scénario selon lequel la transition vitreuse serait liée à un point critique sous jacent, ce qui expliquerait l'ubiquité du comportement vitreux dans la nature.
Monday, May 10th, 11AM:
Turbulence statistical and dynamical priors for inverse modeling of motion in image sequences.
The complexity of fluid flow dynamics associated with incomplete and noisy observations make the recovery of physical sound motion measurements from image sequences a very difficult task. In the context of curing this ill-posed estimation problem, we present two variational approaches tackling motion estimation from a Bayesian modeling perspective.
The first approach proposes to include prior knowledge on the flow regularity. Regularity is formalized using turbulence scaling laws describing the statistical structure of motion increments across scales. Motion estimation is formulated as a minimization problem where the second order structure function is constrained to behave as some power law. In order to select the most appropriate power law within a set of hypothesis (e.g. Kolmogorov41, Kraichnan64, Lindborg01), the maximum likelihood principle is used to jointly infer the scaling law describing the best the image data. The motion estimator accuracy is first evaluated on a synthetic image sequence of homogeneous and isotropic 2D turbulence. Results exceeds the best state of the art results. Then, the method is used to analyze a real meteorological image sequence. Selecting from images the most likely scaling law enables the recovery of physical quantities of major interest for turbulence characterization.
The second approach proposes to include prior knowledge on motion dynamics. Physical sound and time-consistent horizontal motion fields at various atmospheric depths are recovered from a whole image sequence relying on a prior multi-layer shallow-water model. This estimator is based on a weak constraint variational data assimilation scheme and is applied on noisy and incomplete pressure difference observations derived from satellite images. The dynamical model is a simplified vorticity-divergence form of a multi-layer shallow-water model. Average horizontal motion fields are estimated for each layer. The performance of the proposed technique is assessed on synthetic examples and on real world meteorological satellite image sequences. In particular, it is shown that the estimator enables exploiting fine spatio-temporal image structures and succeeds in characterizing motion at small spatial scales.
Monday, May 3th, 11AM:
Frontiers of Condensed Matter Physics Explored with Magnetic Fields 10^6 x Earth's Field on the Surface.
Marcelo Jaime (LANL, Los Alamos, USA)
Production of very high magnetic fields in the laboratory has relentlessly increased in quantity and quality over the last five decades, and a gradual shift occurred from research focused in magnet technology to studies of the fundamental physics of novel materials in high and very high applied magnetic fields. With these developments new strategies designed to understand microscopic mechanisms in material science surfaced, using a variety of methods to extract fundamental energy scales and thermodynamic properties from thermal, magnetic and electric probes. These parameters are then fed into minimalistic models that in turn are used to explain observations and predict behaviors for systems that are otherwise untreatable from a theoretical point of view. In this presentation, time permitting, I will summarize efforts at the National High Magnetic Field Laboratory to shed light on the fermiology of high temperature superconductors such as cuprates, and pnictides. I will also present examples of studies that uncovered previously unseen states of correlated matter in heavy fermion and actinide-based compounds, as well as a couple of examples of magnetic field induced Bose-Einstein condensation of magnons in spin S=1 and spin dimer S=1/2 quantum paramagnets.
Monday, April 26th, 11AM:
Défauts conformes : des fils quantiques à la théorie des cordes
Costas Bachas (LPT, ENS Paris)
Les théories bidimensionnelles conformes servent de pont entre la physique de la matière condensée et la théorie de cordes. Dans le premier cas elles décrivent les classes d'universalité de systèmes unidimensionnels quantiques; dans le second cas, elles définissent les équations qui généralisent la théorie de gravitation d'Einstein. Les défauts ponctuels dans ces systèmes quantiques intéressent depuis un certain temps les physiciens. Dans cet exposé je décrirai quelques exemples concrets de défauts quantiques, les efforts théoriques de classifier leurs classes d'universalité, ainsi que le rôle qu'ils pourraient jouer pour élucider les symétries cachées de la théorie de cordes.
Monday, April 19th, 11AM:
Demonstrating universal quantum critical behavior in ultracold gases
Kaden Hazzard (Cornell University)
Quantum criticality --- the finite temperature behavior of a system near a zero-temperature phase transition --- widely influences modern physics: for example, it provides examples of non-quasiparticle excitations and is prevalent in numerous materials. Cold atoms provide a clean and tunable setting to study strongly correlated phases of matter, but the universal structure of quantum phase transitions is hidden in current visualizations of cold atoms data. I will discuss novel, generic techniques to observe quantum criticality. I consider readily accessible systems, such as trapped bosons or fermions in optical lattices, and both static observables (such as trap profiles) and finite-frequency probes such as RF spectroscopy. Finally, I identify how to impact important open questions for quantum criticality using present generation experiments.
Monday, March 29th, 11AM:
De la macro- à la nano- fluidique (et vice-versa)
Lydéric Bocquet (LPMCN, Lyon 1)
Les propriétés des fluides aux interfaces ont été discutées dès les débuts de l'hydrodynamique. Mais ces questions occupent une place de plus en plus importante du point de vue fondamental et appliqué, avec la miniaturisation de plus en plus poussée des dispositifs fluidiques. On peut ainsi citer de nombreux exemples où les interfaces jouent un rôle clef: les systèmes microfluidiques de "laboratoires sur puce"; la nano-fluidique et les écoulements dans les nanopores; mais également la dynamique des fluides dans les systèmes biologiques et la locomotion à faible nombre de Reynolds. Dans cet exposé, j'exposerai quelques résultats obtenus dans notre équipe visant à explorer la dynamique des fluides aux interfaces, depuis les échelles macroscopiques jusqu'aux nano-échelles. En particulier je discuterai des écoulements sur surfaces super-hydrophobes, à la fois dans les régimes visqueux et inertiels. Je considèrerai enfin les opportunités offertes par le transport nanofluidique pour contourner les limites imposées par l'hydrodynamique à grande échelle.
Monday, March 22nd, 11AM:
Classical to quantum transition in superfluid turbulence.
Sergey Nazarenko (Mathematics Institute, University of Warwick)
I will review the theory of turbulence in superfluids at zero temperature. This system presents a unique example where the laws of classical physics gradually change to the quantum ones as an energy cascade proceeds from large to small scales. We will discuss the classical Kolmogorov turbulence at large scales, Kelvin wave turbulence at small scales and the nature of the crossover between these two regimes.
Monday, March 15th, 11AM:
Ecoulements granulaires
Olivier Pouliquen (IUSTI, Marseille)
Quiconque ayant joué avec le sable sur la plage ou du sucre dans la cuisine est conscient qu'une assemblée de grains rigides peut se comporter macroscopiquement comme un liquide et couler. La description de ce fluide singulier est un défi important pour de nombreuses applications industrielles (génie chimique, agroalimentaire, pharmaceutique,...) et pour beaucoup de situations geophysiques (ecoulement de débris, avalanches, glissement de terrain,...). Dans ce séminaire, les avancées récentes réalisées dans la compréhension de la rhéologie des écoulements granulaires seront présentées et l'émergence d'une "hydrodynamique granulaire" sera discutée. Fort de ces avancées, le cas plus complexe de mélange de grains de tailles différentes et de mélange de fluide et de grains sera ensuite discutés en lien avec les problématiques de glissements de terrain. Tout au long du séminaire, nous discuterons des nombreux problèmes qui restent encore ouverts, à la frontière entre la physique et la mécanique.
Monday, March 8th, 11AM:
Nonequilibrium Statistics of the Inverse Turbulent Cascade
Rudolf Friedrich (Institut für Theoretische Physik, Munster)
Turbulent fluid motion is maintained by a cascading process transporting energy across a large range of spatial scales. In the present talk we adress properties of the inverse cascade of two-dimensional turbulence, in which energy flows from small to large scales.
Starting point is the multipoint statistics of vorticity, which naturally leads to a description of the turbulence in terms of interacting screened vortices, in close analogy to the treatment of many-body systems by the notion of Landau quasi particles. Based on the evaluation of numerical data we emphasize that the effective behaviour of two screened vortices involves an interaction, which favours the formation of clusters of like-signed dressed vortices. This interaction is of a stochastic nature and allows one to draw unexpected analogies between the turbulent transport in the inverse cascade and transport mechanisms underlying the behaviour of Brownian motors.
Monday, March 1st, 11AM:
«Millimatériaux architecturés» : une stratégie de «matériaux sur mesure» pour les matériaux de structure ?
Yves Bréchet (LTPCM/ENSEEG, Grenoble)
Un matériau est de la matière devant remplir une fonction. L'ingénieur dispose de près de 100000 matériaux, et pourtant les cahiers des charges sont souvent contradictoires. Dans le domaine des matériaux de structure (c'est-à-dire ceux qui doivent tranmettre des forces ) les stratégies développées ont longtemps du point de vue des physiciens, d'optimiser les microstructures en allant vers les matériaux nanostructurés, et du point de vue des mécaniciens, d'optimiser les formes macroscopiques. La dichotomie «materiaux fonctionnels / matériaux de structure» tend toutefois à évoluer avec l'exigence accrue pour des matériaux multifonctionnels. Dans cette optique, une nouvelle stratégie de développement émerge, consistant à associer divers matériaux ( multimatériaux plutot que monomatériaux) et à jouer sur l'arrangement de la matière à l'échelle millimétrique (architecture plutot que microstructure). Le séminaire explorera ces développements récents au travers d'exemples comme les matériaux à gradients, les mousses métalliques, les feutres et laines, et les matériaux autobloquants. On s'attachera a montrer comment la résolution de requêtes contradictoires conduit à développer ces nouvelles classes de matériaux, et les questions fondamentales qu'ils soulèvent.
Monday, February 8th, 11AM:
Violation et restauration du théorème de fluctuation dissipation
Jean-François Joanny (Institut Curie, Paris)
Le théorème de fluctuation-dissipation est un résultat essentiel de la physique statistique au voisinage de l'équilibre qui a largement prouvé son utilité. Les systèmes dans un état stationnaire hors d'équilibre n'ont a priori aucune raison de satisfaire ce théorème. Dans un premier temps nous discuterons quelques exemples de violation de ce théorème sur des systèmes biologiques. Le cas des cellules ciliées qui sont les organes de détection du son dans l'oreille interne est particulièrement spectaculaire. On peut mesurer une température effective qui diverge et change de signe en fonction de la fréquence. Ce comportement est typique d'une bifurcation de Hopf. D'autres exemples mettent en jeu les gels actifs d'actine et de myosine et les moteurs moléculaires. Après avoir introduit la relation de Hatano Sasa qui est valable pour des systèmes dont la dynamique est markovienne et dépend de manière continue de "forces extérieures, nous montrons comment l'on peut écrire un théorème de fluctuation-réponse analogue au théorème de fluctuation dissipation. Nous discutons ensuite l'application de ce théorème aux mêmes exemples issus de la biologie.
Monday, February 1st, 11AM:
Ecoulement diphasique dans des puces microfluidiques.
Les dispositifs microfluidiques permettent de produire des émulsions très bien calibrée en tailles, des coécoulements et des jets. Dans ce travail, nous étudions les écoulements bifluides dans des dispositifs microfluidiques. D'un point de vue expérimental, nous avons étudié en fonction des différents paramètres expérimentaux (débits, tailles des capillaires, tension de surface) le diagramme d'écoulement pour deux fluides non miscibles. Un modèle basé sur l'étude de la nature de l'instabilité de Rayleigh en milieu confiné nous a permis de prédire les zones de transition entre jet et gouttes. Les jets correspondent à une instabilité de Rayleigh convectée, les gouttes à une instabilité absolue. L'écoulement et le confinement favorise la nature convectée de l'instabilité. Le rôle de la forme de la géométrie est aussi analysé. Des études portant sur des fluides non newtoniens sont actuellement en cours.
Monday, January 25th, 11AM:
Disordered elastic systems
Andrei Fedorenko (Lab Physique, ENS Lyon)
Elastic objects in disordered media is a fruitful concept to study diverse physical systems such as domain walls in ferromagnets, interfaces between immiscible liquids in a porous medium, charge density waves in solids, vortices in type-II superconductors, etc. In all these systems the interplay between elastic forces that tend to keep the system ordered, i.e., flat or periodic, and quenched disorder, which promotes deformations of the local structure, forms a complicated energy landscape with numerous metastable states. This results in glassy properties and a nontrivial response of the system to external perturbations, e.g. depinning transition. These difficulties and possible applications make understanding both the static and dynamic properties of these systems a challenging task. In my talk I will report recent progress in this area and also review some exciting relations between physics of disordered systems and other problems such as Burgers turbulence and loop erased random walks.
Monday, January 18th, 11AM:
Dynamics of bubbles, films and foams: Role of interfacial rheology
Interfacial phenomena at air/water interfaces are fundamental to understand the physics and fluid mechanics associated with bubbles, soap films, and foams. The surfactant molecules (soap, phospholipids, proteins?) generally covering these interfaces not only lower surface tension, but also often give rise to an interfacial viscoelasticity. We show the crucial influence of surface rheology through three series of experiments: oscillations of ultrasound contrast agent microbubbles, fast dynamics of soap films, and flow of foam through a contraction.
Ultrasound contrast agents are microbubbles which are encapsulated by a phospholipid monolayer, both to prevent them from too fast dissolution and to carry therapeutic molecules for targeted drug delivery. In medical applications, once injected in the blood pool, they constitute very efficient ultrasound scatterers, which enables to image organ perfusion or to detect tumors. We have developed an optical spectroscopy method, and showed that the resonance properties of the contrast agents shows that the viscoelasticity of the phospholipid monolayer modifies drastically their response compared to uncoated gas bubbles [1].
Fast and/or confined film and foam flows are of great practical interest, because of the use of foams in porous media for enhanced oil recovery, and of the development of microfluidics with bubble assemblies. We first present an elementary experiment at the scale of single soap films, that we push through circular tubes, to study their behaviour as they deviate from equilibrium shape. Varying their velocity, we observe that SDS films get curved downstream, and we show that film rupture occurs as the film curvature exceeds that of the tube [2]. With another solution (SLES/CAPB/myristic acid) giving strongly viscoelastic interfaces, the behaviour is totally different; soap films are deformed at much lower velocity, with a strong dependence on the amount of liquid. We identify an intermittent flow regime, reminiscent of stick-slip in solid friction. Moreover, we show by tracer-tracking that the moving film has a long-range influence on the wetting film ahead of it. We also present measurements of the 2D flow of foam through a contraction, where we can measure the full elastic, plastic and viscous response by image analysis. We evidence significant differences between a SDS foam and a foam with the SLES/CAPB/myristic acid mixture, which shows for instance a dependence of elastic stresses with the velocity and/or the velocity gradient [3].
[1] S. M. van der Meer et al., J. Acoust. Soc. Am. 121, 648 (2007).
[2] B. Dollet, I. Cantat, submitted to J. Fluid Mech.
[3] B. Dollet, submitted to J. Rheol.
Monday, January 11th, 11AM:
Matière molle sous cisaillement : transition d'alignement et transition solide-fluide
Sébastien Manneville (LP, ENS Lyon)
Décrire et expliquer la réponse de matériaux mous à une déformation ou à un écoulement comporte des enjeux industriels et appliqués considérables. En effet, les fluides complexes comme les gels ou les émulsions sont omniprésents dans notre vie quotidienne. D'autre part, certains d'entre eux, comme les suspensions colloïdales concentrées, constituent des systèmes modèles pour l'étude fondamentale de phénomènes physiques tels que la transition vitreuse ou les hétérogénéités dynamiques.
Dans ce séminaire, je discuterai les effets d'une contrainte de cisaillement sur différents systèmes de matière molle. Tout d'abord, je présenterai le cas de solutions de molécules tensioactives formant des "micelles géantes". Sous l'effet d'un cisaillement, les micelles s'alignent et on observe une transition de phase isotrope-nématique hors équilibre. La deuxième partie sera consacrée à divers "matériaux mous vitreux" présentant une contrainte seuil en dessous de laquelle le matériau se comporte comme un solide élastique et au-dessus de laquelle il peut s'écouler comme un liquide. Je m'intéresserai en particulier aux phénomènes de localisation du cisaillement et aux dynamiques lentes observées au voisinage de la contrainte seuil.
Monday, December 14th, 11AM:
Réseaux complexes: un aperçu du domaine, et quelques perspectives récentes
Dans ce séminaire, je commencerai par une rapide description du domaine des réseaux complexes et de son évolution. Partant d'exemples concrets, je montrerai comment des caractéristiques commune à des systèmes venant de domaines très différents ont pu être mises en évidence. Je discuterai ensuite la propagation d'épidémies sur réseau, comme exemple des nombreux phénomènes dynamiques qui ont lieu sur ces réseaux, et dont les caractéristiques dépendent crucialement de la topologie du réseau concerné. Dans une deuxième partie, je discuterai les développements récents dans lesquels le caractère dynamique du réseau est pris en compte et étudié. Je présenterai en particulier le projet Sociopatterns (www.sociopatterns.org), qui vise à recueillir des données empiriques sur l'évolution dynamique des réseaux sociaux, et de premiers résultats obtenus par ce projet.
Monday, December 7th, 11AM:
Courbes aleatoires en 2D: des interfaces critiques a la turbulence
Denis Bernard (CEA et LPT-ENS)
Comprendre la nature de courbes ou trajectoires aléatoires est un problème récurrent en physique ou en mathématique (la théorie du mouvement Brownien est issue de ce désir de compréhension). Dans de nombreuses situations, ces courbes possèdent la propriété remarquable d'être invariantes sous des transformations conformes (transformations préservant les angles). Nous decrirons par des exemples d'origines physiques ou géometriques les propriétés caracteristiques de ces courbes, les progrès significatifs obtenus dans leurs descriptions suite à la découverte des processus stochastiques SLE ("Schramm-Loewner Evolutions") ainsi que les liens entres ces processus et la physique statistique des systèmes critiques bidimensionnels. Une application de ces nouveaux outils à la turbulence 2D sera mentionnée.
Monday, November 30th, 11AM:
Le transistor à effet de champ ultime et ses limites: une approche par la physique quantique mésoscopique.
Je présenterai quelques limites physiques auxquelles se heurte le transistor à effet de champ silicium de taille typique quelques dizaines de nanomètres (celui qui équipera les processeurs dans un proche avenir, "noeud 22nm").
J'illustrerai ces limites par les résultats expérimentaux obtenus à Grenoble sur des transistors refroidis à basse température: le MOS-SET [1] qui est un transistor mono-électronique silicium à trois terminaux (une grille, une source et un drain), la détection [2] et la spectroscopie d'un dopant unique par mesure de transport [3] dans des MOSFETs de longueur de canal 10nm.
Je conclurai à propos de l'influence des effets mis en évidence à basse température sur le fonctionnement du MOSFET ultime à température ambiante.
[1] M. Hofheinz, et al., A simple and controlled single electron transistor based on doping modulation in silicon nanowires, Applied Physics Letters 89, 143504 (2006).
[2] M. Hofheinz, et al., ?Individual charge traps in silicon nanowires: Measurements of location, spin and occupation number by Coulomb blockade spectroscopy?, European Physical Journal B54, 299-307, (2006).
[3] M. Pierre et al., "Single donor ionization energies in a nanoscale CMOS channel? to appear in Nature Nanotechnology (2009).
Monday, November 23rd, 11AM:
Sediment transport and dunes in pipe flow
Elisabeth Guazzelli (IUSTI, Polytech Marseille)
When particle beds are submitted to shearing flows, the particles at the surface of the bed can move as soon as hydrodynamic forces acting on them exceed a fraction of their apparent weight. This situation occurs in a wide variety of natural phenomena, such as sediment transport in rivers or by air, and in industrial processes, such as hydrate or sand issues in oil production and granular transport in food or pharmaceutical industries. A very common feature that arises is the formation of ripples, i.e. small waves on the bed surface, or of dunes, i.e. larger mounds or ridges.
This talk will examine a bed constituted of sediment particles submitted to a pipe flow. It will discuss (i) the critical condition for incipient motion of the grains, (ii) bed-load transport, and (iii) the different dune patterns that arise as the flow is increased from the laminar to the turbulent regimes. The theoretical investigation uses a two-phase model having a granular rheology for the particulate phase. Calculations are performed numerically but also analytically in asymptotic cases. These predictions are compared to experimental results obtained in laminar flow above a bed composed of spherical particles in a pipe.
Monday, November 16th, 11AM:
Spectroscopie optique ultrarapide de nanoparticules métalliques
Paolo Maioli (LASIM, Université de Lyon)
Les techniques optiques résolues en temps à l'échelle femtoseconde constituent des outils particulièrement performants pour l'étude des interactions électroniques, de la réponse vibrationnelle et des processus thermiques des nanoparticules. Nous discuterons les résultats obtenus sur l'évolution des interactions électrons-électrons et électrons-réseau et sur la réponse acoustique en fonction de la taille dans des nanoparticules de métaux nobles dans un régime de taille allant de quelques dizaines de nanomètres à un nanomètre. Par ailleurs, l'extension de ce type d'étude à une nanoparticule métallique individuelle sera également présentée et les résultats marquants de cette nouvelle technique de "nanoscopie" optique seront illustrés.
Monday, November 09th, 11AM:
Deux "histoires de friction" : Influence des propriétés de surface sur les écoulements interfaciaux & Les petites billes qui montent, qui montent...
La question des conditions aux limites d'un écoulement est un problème récurrent en mécanique des fluides. En particulier la condition de non-glissement d'un liquide simple au voisinage d'une surface solide généralement utilisée en hydrodynamique n'est pas toujours vérifiée à l'échelle nanométrique. Au-delà de l'intérêt fondamental de cette question, la compréhension et la maîtrise de la condition limite hydrodynamique au voisinage d'une paroi constitue aujourd'hui un enjeu pratique important pour le contrôle des écoulements dans des géométries confinées (milieux mésoporeux, dispositifs micro- et nanofluidiques).
La première partie de ce séminaire portera sur l'influence des propriétés de surface (mouillage, structure, elasticité) sur les écoulements interfaciaux. J'expliquerai comment il est possible d'étudier quantitativement cette influence à l'aide de mesures de forces de surface et, réciproquement, je montrerai qu'il est possible d'utiliser l'hydrodynamique interfaciale pour sonder finement les propriétés de l'interface solide-liquide. J'appuierai la discussion sur des résultats obtenus au cours de ma thèse au LPMCN.
Dans la deuxième partie, je décrirai un curieux phénomène qui permet à des petits agrégats de billes, retenues par des ponts capillaires, de grimper le long d'une paroi verticale lorsque celle-ci est soumise à une oscillation sinusoïdale dans la direction verticale.
Monday, October 19th, 11AM:
Diffraction non linéaire en acoustique.
François Coulouvrat (Inst. Jean le Rond d'Alembert, Paris)
Les non-linéarités en acoustique se traduisent essentiellement par une vitesse du son dépendant de l'amplitude instantanée du champ, conduisant à la distorsion du signal, le transfert d'énergie entre composantes fréquentielles et la formation de chocs faibles, manifestation la plus spectaculaire de la non-linéarité. Les ondes de choc s'observent dans de nombreuses situations, à des échelles très variées allant de la Terre (infrasons : volcans, avions supersoniques) au "nano" (acoustique pico-seconde) en passant par l'audible (trombone, moteurs) ou les applications biomédicales (lithotritie, solides mous). En présence de diffraction, la présence d'ondes de choc, même faibles, conduit à des modifications itrinsèquement non linéaires des lois classiques de la diffraction. Deux exemples seront plus particulièrement traités au moyen de modèles, simulations numériques et expériences en laboratoire. On verra d'abord comment les lois de Snell-Descartes cessent d'être valables en incidence rasante pour donner lieu à d'autres types de réflexion comme celle de von Neumann. Enfin, dans le cas des caustiques "pli" (l'équivalent de l'arc en ciel ou diffraction d'Airy), il sera montré que la compétition entre non-linéarité et diffraction contrôle l'amplitude du champ.
Monday, October 12th, 11AM:
String Theory -- extra dimensions and hidden symmetries
String theory is a theory to describe nature at the smallest length scales which replaces the concept of point-like elementary particles by extended strings. I review history and hopes, problems and progress.
Monday, October 05th, 11AM:
Physique de la morphogenèse chez les plantes
Arezki Boudaoud (LPS, ENS Paris)
Au cours de son développement, une plante subit des changements de topologie drastiques : l'embryon (une boule) projette des racines et des tiges (des lignes), qui donnent naissance à des feuilles (des surfaces). Quelles sont les mécanismes physiques mis en jeu dans ces transformations ? Comment des formes complexes sont-elles générées ? Au cours de l'exposé, j'introduirai des études illustrant ces questions : formes auto-similaires des feuilles, méchanosensation et croissance des tiges, géométrie du pavage cellulaire...
Monday, September 28th, 11AM:
Etude de la transition métal-isolant d'Anderson avec un système d'atomes froids quantiquement chaotique
En plaçant des atomes refroidis par laser dans une onde stationnaire modulée temporellement nous réalisons un système atomique dont la dynamique est équivalente à celle du « kicked rotor », système bien connu en particulier pour sa dynamique classiquement chaotique. Son pendant quantique présente une dynamique très différente, caractérisée par un phénomène de localisation dans l'espace des impulsions, la « localisation dynamique ». Il s'avère que celle-ci est formellement équivalente à la localisation d'Anderson (à une dimension). En utilisant trois fréquences de modulation incommensurables, on obtient un système équivalent au modèle d'Anderson à trois dimensions, qui présente une transition de phase quantique entre une dynamique localisée et une dynamique diffusive.
Notre système offre un certain nombre d'avantages si comparé à son pendant (et ainé) de la physique du solide : nous pouvons contrôler dans une large mesure les effets de décohérence et nous avons accès expérimentalement aux fonctions d'onde (ou du moins leur module carré). Nous avons tiré parti de ces caractéristiques pour démontrer de façon non ambigüe l'existence de la transition d'Anderson dans le système. Par ailleurs, nous avons développé une technique inspirée du « finite-size scaling » qui nous a permis de déterminer expérimentalement l'exposant critique de cette transition. Des données très récentes ont permis d'obtenir pour cet exposant critique la valeur 1,6+/-0,1, qui est en excellent accord avec la valeur obtenue par des simulations numériques (1,59+/-0,01) et la valeur obtenue en simulant directement le modèle d'Anderson (1,57+/-0,02). De plus, la possibilité offerte par notre système de mesurer directement les fonctions d'onde nous permet d'étudier de façon assez détaillée le régime critique de la transition.