Colloquium 2010-2011
2010-2011
Monday, July 4th, 11AM:
Jupiter au laboratoire : étude expérimentale de la stabilité de la Grande Tache Rouge et d’un mécanisme alternatif de génération des bandes par les marées gravitationnelles
Michael Le Bars (IRPHE, Marseille)
Les bandes de Jupiter et sa Grande Tache Rouge sont parmi les caractéristiques les plus frappantes de la dynamique jovienne, observées depuis plusieurs siècles. Cependant, l’origine de ces structures est aujourd’hui encore débattue, et leur pleine compréhension nécessite une approche interdisciplinaire mêlant planétologie, géophysique, et mécanique des fluides... Dans ce cadre, je présenterai les résultats de deux expériences de laboratoire, se focalisant sur les mécanismes hydrodynamiques fondamentaux à l’origine de la dynamique jovienne.
Notre première expérience est consacrée à l’étude de la dynamique d’une sphère fluide en rotation soumise à une déformation elliptique périodique, mimant les marées gravitationnelles. Je décrirai comment les interactions non-linéaires d'une onde excitée par un tel forçage génèrent un écoulement axisymétrique intense, vu à la surface de la sphère comme une bande de cisaillement. Suivant ce mécanisme générique, les marées gravitationnelles dues à Io, Europe, Ganymède et Callisto seraient en partie à l’origine des vents zonaux observés à la surface de Jupiter.
Dans la seconde expérience, la Grande Tache Rouge, qui constitue un des exemples les plus célèbres d’anticyclone persistant au sein d’un milieu stratifié en rotation, est modélisée par l’injection d’un volume de fluide isodensité dans un réservoir tournant linéairement stratifié en eau salée. Un vortex lenticulaire se forme alors avec un intérieur entièrement mélangé, dont le mouvement anticyclonique décroît lentement au cours du temps, tout en préservant sa forme auto-similaire. Ce comportement peut être décrit analytiquement par un système simplifié d'équations basé sur un équilibre cyclogéostrophique, où la source d'énergie maintenant le vortex en dépit des frottements visqueux est l'anomalie de densité avec l'extérieur. Les prédictions théoriques, validées expérimentalement, sont en excellent accord avec les mesures publiées pour Jupiter.
Monday, June 27th, 11AM:
Déformations d’interfaces liquides et écoulements induits par la pression de radiation acoustique et électromagnétique
Régis Wunenburger (CPMOH, Bordeaux)
Une onde, qu’elle soit électromagnétique ou acoustique, exerce une contrainte sur les interfaces qu’elle rencontre, communément appelée pression de radiation. Si ces interfaces séparent deux fluides, elles sont déformées par les ondes lorsque celles-ci sont de forte puissance. Selon la nature des fluides et les conditions expérimentales, une grande variété de déformations d’interfaces est alors observée : ponts liquides, aiguilles émettant des gouttes, déformations en forme de doigt, de "tétine"… Ces déformations résultent de couplages non-linéaires entre leur forme et la propagation de l’onde. Dans un premier temps, je présenterai les pressions de radiation acoustique et électromagnétique en montrant pourquoi, malgré leurs origines radicalement différentes, leurs effets hydrodynamiques sont si similaires. Puis je présenterai quelques unes des déformations d'interfaces observées en expliquant les mécanismes physiques à l'origine de leur obtention et des écoulements associés, qui conjuguent hydrodynamique diphasique et physique des ondes.
Monday, June 20th, 11AM:
Echantillonnage compressif de champs acoustiques
Laurent Daudet (Institut Langevin, Paris)
Le sous-titre de cet exposé pourrait être "Quand on sait ce qu'on cherche, on trouve plus facilement"... On s'intéresse ici au problème de la mesure d'un champ variant dans l'espace et/ou le temps. Dans certains cas pratiques, si l'on veut respecter le critère de Nyquist pour l'échantillonnage classique "à la Shannon", le nombre de points d'échantillonnage (i.e. de mesures) à effectuer et à stocker peut rapidement devenir énorme, voire infaisable en pratique. Or, il a été montré récemment que l'échantillonnage régulier est très pessimiste : dans la mesure où les signaux ont une certaine structure (et la très grande majorité des signaux naturels qui nous intéressent ont une telle structure, de façon assez générique), il est possible de réduire le nombre d'échantillons à acquérir, parfois très significativement en-dessous de Shannon-Nyquist, tout en garantissant la reconstruction quasi-parfaite du champ. Cette théorie, appelée échantillonnage compressif ("compressed sensing"), a fait des progrès théoriques et algorithmiques spectaculaires ces dernières années. En particulier, une façon efficace d'exploiter ce principe est via un échantillonnage aléatoire, qui permet de répartir équitablement l'information portée par chacun des échantillons. Le travail présenté ici se propose d'appliquer l'échantillonnage compressif pour l'acquisition de champs acoustiques, où la structure découle naturellement de l'équation des ondes. Les principes généraux seront illustrés par 2 cas concrets : l'holographie acoustique en champ proche pour la mesure de vibrations de plaques minces, et l'acquisition volumique de réponses impulsionnelles pour l'acoustique des salles.
Monday, June 6th, 11AM - Attention ! en amphi Schrödinger :
Electronique des fermions de Dirac dans le graphène, rêve où réalité ?
Bernard Plaçais (LPA, ENS Paris)
Le graphène a été mis à l'honneur par le prix Nobel de physique 2010. Ce cristal de carbone d'épaisseur atomique apparenté au graphite cache un gaz d'électrons bidimensionnel tout à fait exceptionnel. En effet, ces électrons ont une masse effective nulle, se déplacent toujours à la même vitesse et sont dotés d'une chiralité intrinsèque, imitant des particules « ultra-relativistes » comme les photons ou les neutrinos. Le graphène est aussi le premier cristal strictement bidimensionnel à être étudié, ouvrant la voie à une nouvelle famille de matériaux.
Au niveau des applications, une des directions prometteuses semble être la miniaturisation de composants électroniques comme le transistor qui profite de la très haute mobilité électronique des électrons et des trous. On explore aujourd'hui le régime balistique qui ouvre la voie à une électronique nouvelle basée sur l'optique des Fermions de Dirac.
Monday, May 30th, 11AM:
Locomotion de C. elegans et environnement mécanique
Jean-Marc Di Meglio (MSC, Paris)
C. elegans est un des organismes modèles des biologistes. Premier être multicellulaire dont le génome a été séquencé, ce ver cylindrique d'environ un millimètre de long rampe en ondulant sur des substrats humides et nage dans les liquides. Nous montrerons comment l'environnement mécanique du ver (friction, confinement) modifie son allure pour aborder le difficile problème de la régulation de sa locomotion : perception, proprioception ou simple adaptation mécanique passive ?
Monday, May 23rd, 11AM:
Fluctuations de densité dans les gaz de Bose unidimensionnels
Isabelle Bouchoule (Institut d'optique, Palaiseau)
Les gaz d'atomes ultra-froids sont des systèmes très bien adaptés à l'étude des phénomènes quantiques collectifs, habituellement rencontrés dans la physique du solide. Grâce au grand degré de contrôle des paramètres décrivant le système, les expériences d'atomes froids permettent de réaliser de véritables simulateurs quantiques de différents modèles théoriques de la physique à N-corps. En particulier, les gaz d'atomes froids peuvent être utilisés pour sonder la physique des gaz quantiques en dimension réduite, dont le comportement peut être radicalement différent de celui d'un gaz à trois dimensions. Dans notre expérience, en confinant fortement des atomes de Rubidium dans les directions transverses grâce à des micro-pièges magnétiques de grande raideur, nous réalisons des gaz de Bosons unidimensionnels. Nous avons mesuré dans ces gaz les fluctuations de densité, en analysant le bruit sur des images du nuage atomique. Ceci nous a permis d'étudier en détail le phénomène de quasi-condensation qui a lieu dans le régime d'interaction faible. Nous avons aussi observé un comportement proche de celui d'un gaz de Fermion lorsque le gaz entre dans le régime d'interaction fortes, pour lequel on attend une fermionisation du gaz de Bosons.
Monday, May 16th, 11AM:
Superstatistics approach to Special and Doubly Special Relativity
Probability distributions which can be obtained from superpositions of Gaussian distributions of different variances "v" play a favored role in quantum theory, financial markets or biological systems. This smearing procedure is often referred to as "superstatistics" [1]. Superpositions thus obtained need not necessarily obey the Chapman-Kolmogorov semigroup relation for Markovian processes because smearing distributions may (and invariably do) introduce memory effects. We follow Ref. [2] and derive the general form of the smearing distributions for "v" which do not destroy the semigroup property. Aforementioned smearing technique can be conveniently implemented, e.g., in the path integral calculus or multiple stochastic processes. In many cases, the superposition of path integrals can be evaluated much easier than the initial path integral (see, e.g., Ref.[2]). For instance, superstatistics permits the calculation of the Feynman propagator of a relativistic particle in a novel way from a superstatistical average over non-relativistic single-particle paths (for details see [3]). I will illustrate this for the Klein-Gordon and Dirac particles. As a byproduct I will recover Feynman chessboard path integral. I will also present the modifications necessary to accommodate in our scheme the doubly special relativistic dynamics. In this way, an unsuspected, common statistical origin of the two frameworks is brought to light.
References:
[1] C.Beck, Phys. Rev. Lett. 87, 180601 (2001).
[2] P.Jizba and H.Kleinert, Phys. Rev. E 78, 031122 (2008).
[3] P.Jizba and H.Kleinert, Phys. Rev. D 82, 085016 (2010).
Monday, May 9th, 11AM:
Particules lourdes dans des écoulements turbulents : intermittence, caustiques, sédimentation et collisions élastiques collantes
Jérémie Bec (Laboratoire Cassiopée, Nice)
Un grand nombre de situations naturelles et industrielles impliquent le transport de petites particules dont la taille et la différence de masse avec le fluide ne peuvent pas être négligées. Les gouttelettes, la poussière ou les autres types d'impuretés lourdes en suspension dans un écoulement turbulent ont généralement de l'inertie. Elle ne suivent donc pas exactement le fluide mais ont tendance à être éjectées des structures tourbillonnaires pour se concentrer dans les régions d'étirement. Ce phénomène conduit à l'apparition de très fortes inhomogénéités dans la distribution spatiale des particules. Je donnerai un aperçu de la façon dont ces concentrations préférentielles modifient les propriétés statistiques des particules. Je me concentrerai notamment sur les propriétés de dispersion, les vitesses de sédimentation, les taux de collisions entre particules. Je montrerai finalement comment la dynamique dissipative des particules est responsable de leur effondrement au cours de collisions purement élastiques et conduit à l'apparition soudaine d'agrégats dont les propriétés sont assez différentes de celles observées pour les milieux granulaires inélastiques.
Monday, April 18th, 11AM:
The thermal Casimir effect for classical fields - some out of equilibrium aspects
I will give a resume of general fluctuation induced interactions ranging from the quantum Casimir effect, fluctuation induced interactions in soft matter systems and some examples of nonthermal driven systems. The equilibrium Casimir effect in thermally driven classical fields occurs in many physical systems, ranging from the interaction between proteins in fluctuating biological membranes through to interactions between colloids in binary mixtures. The equilibrium forces in these systems can be computed using standard methods of statistical physics but less is known about these forces out-off equilibrium or in non-equilibrium systems. I will discuss some recent results on the convergence of the Casimir force to its equilibrium value for systems with dissipative stochastic dynamics. I will also discuss drag effects on inclusions moving through such fluctuating systems.
Monday, April 11th, 11AM:
Single molecule mechanical sequencing of DNA
David Bensimon (LPS, ENS Paris)
Single DNA hairpins can be unzipped and rezipped by modulating the force on the extremities of the two strands. The sequencing of a single hairpin can be achieved by detecting blockages during rezipping. These blockages could be due to hybridization with complementary oligonucleotides in solution, to partial replication of one of the strands (the Sanger method) or to ligation of a complementary oligonucleotide to a growing primer. Using magnets to pull on many beads anchored to the surface by single DNA hairpin, a high throughput, long read, low error, DNA sequencing platform is achievable which does not require the use of fluorescently labeled nucleotides.
Monday, April 4th, 11AM:
Impact on soft sand
Sylvain Joubaud (LP, ENS Lyon)
Fluidizing is a method of letting air bubble through sand to obtain a very loose packing, down to 41 % volume packing. If a solid object is now impacted on this fluidized sand a cavity (void) is created as the object penetrates the sand. This void subsequently collapses due to the hydrostatic pressure, causing a jet of sand to shoot upwards into the air and downwards into the void. At the end a "granular eruption" occurs under certain conditions as air enclosed by the void collapse rises up to the surface and is released.
Air is known to play a crucial role during the impact. This can be tracked back to a significant increase of the drag the object experiences inside the sand at low ambient pressures, but what remains unclear is the mechanism by which the drag increases. To shed light upon this mechanism we record the pressure changes during impact both above and below the bed. From this, with the help of Darcy's law, the magnitude of the air flows inside the sand which are caused by the impacting sphere is deduced and these are related to the observed drag increase.
The effect that boundaries have on the granular jet formation will be also presented. This is done by (i) decreasing the depth of the sand bed and (ii) reducing the container diameter to only a few ball diameters. These confinements change the behavior of the ball inside the bed, the void collapse, and the resulting jet height and shape. The parameter space of impact is mapped with Froude number, ambient pressure, and container dimensions.
Monday, March 28th, 11AM:
Dynamique de fissure dans les matériaux désordonnés fragiles
La propagation des fissures est le mécanisme fondamental responsable de la rupture des structures. D’énormes progrès ont été accomplis ces dernières décennies dans ce contexte. Il existe en particulier un cadre théorique cohérent et performant, la Mécanique Linéaire Elastique de la Rupture (MLER) qui permet de décrire précisément la propagation des fissures dans les matériaux fragiles homogènes. Le cas des matériaux hétérogènes en revanche continue de poser problème: (i) Contrairement à ce qui est prédit, la croissance lente d’une fissure y apparaît très intermittente, avec des sauts brutaux, comme en témoigne par exemple l’émission acoustique accompagnant la rupture de matériaux divers tels le papier, les verres ou les roches par exemple, et - à une autre échelle - l’activité sismique associée aux tremblements de terre; (ii) la vitesse limite prédite théoriquement est égal à la vitesse de Rayleigh, ce qui est significativement plus élevée, d’environ 40%, que les valeurs reportées expérimentalement.
Nous verrons dans cette présentation comment dériver une description stochastique de la croissance lente, stable, d’une fissure dans un matériau élastique désordonné. Cette description permet de reproduire les dynamiques intermittentes classiquement observées. Ses prédictions sont ensuite comparées à des observations expérimentales menées à l’université d’Oslo sur la propagation d’une fissure dans un bloc de Plexiglas transparent. Nous présenterons ensuite des expériences récentes sur la rupture dynamique (quelques centaines de mètre par seconde) des matériaux vitreux. Ces expériences mettent en évidence l’existence d’une vitesse critique à partir de laquelle la propagation de la fissure s’accompagne d’endommagement macroscopique, sous forme des microfissures nucléant en avant du front de fissures. Nous verrons comment cet endommagement dynamique fixe la vitesse limite de fissuration en rupture dynamique.
Monday, March 21st, 11AM:
Aperçu de la physique au LHC : des premiers pas aux premiers résultats
Marie-Noëlle Minard (LAPP, Annecy)
Durant 2010, le LHC constamment en évolution, a délivré aux quatre expériences près de 100 jours de collisions proton proton à 7Tev. Le séminaire tentera de répondre au pourquoi et comment d'un tel collisionneur. Les prises de données 2010 seront présentées, les moyens mis en oeuvre dans les analyses évoqués, avant de situer quelques uns des récents résultats.
Monday, March 14th, 11AM:
Modes piégés à la surface d'un liquide
Pablo Cobelli (PMMH, ESPCI, Paris)
Le fluide autour d'un cylindre vertical rigide dans un canal ouvert peut présenter une oscillation locale qui ne se propage pas dans le canal, mais qui est limitée au voisinage de l'obstacle. C'est là une manifestation des modes piégés, états liés dans le continuum se produisant dans de nombreuses situations en physique.
Dans ce séminaire nous allons montrer des résultats expérimentaux pour ces modes piégés obtenus à partir des mesures résolues en temps et en espace de la déformation de la surface du liquide par une méthode de profilométrie optique par transformée de Fourier.
Ce travail fournit la première caractérisation expérimentale complète des modes piégés dans l'espace des fréquences ainsi qu'une analyse détaillée de leur structure spatiale.
Monday, February 21st, 11AM:
Aspects microscopiques des dynamiques vitreuses : des milieux granulaires aux liquides moléculaires
Les liquides, lorsqu'on abaisse leur température de telle sorte que leur cristallisation soit évitée, présentent un ralentissement spectaculaire de leur dynamique, qui se traduit par un accroissement violent de leur viscosité, à l'approche de ce qu'on appelle la transition vitreuse.
Les milieux granulaires et les colloïdes présentent des comportements vitreux macroscopiques étonnamment similaires lorsqu'on augmente leur densité.
Malgré des différences d'échelles très importantes et par conséquent des dynamiques microscopiques d'origine très différentes, thermique pour les uns, mécaniques pour les autres, on peut se demander si les similarités observées à grande échelle trouvent leurs origines dans des mécanismes microscopiques identiques.
Au cours de ce séminaire, je présenterai des résultats expérimentaux obtenus sur les milieux granulaires et des résultats numériques obtenus sur des liquides modèles. Ceux-ci démontrent l'existence de mécanismes microscopiques communs responsables du ralentissement de la dynamique au voisinage de la transition vitreuse.
Monday, February 14th, 2PM (attention au changement d'heure):
Memory erasure in small systems
Eric Lutz (University of Augsburg, Germany)
The aim of the talk is to provide an elementary introduction of the physics of information erasure, its connection to the laws of thermodynamics and its interplay with thermal fluctuations. We present the Landauer erasure principle and highlight its crucial role in the resolution of Maxwell's demon paradox. We further emphasize the necessity to generalize the second law to small systems and discuss its consequences for single particle experiments and information erasure in nanomemories.
Monday, February 7th, 11AM:
Convection dans les fluides complexes et dynamique des planètes telluriques
(Attention, en salle 117)
L'évolution de la Terre et de son refroidissement depuis son accrétion jusqu'à nos jours reste une des questions fondamentales des Sciences de l'univers. Comprendre l'histoire de notre planète, et ses différences par rapport aux autres planètes, est une étape-clef pour comprendre l'origine et la préservation de la vie. Le refroidissement séculaire d'une planète, de même que les phénomènes de surface tels que tectonique des plaques, volcans et tremblements de terre, sont principalement contrôlés par l'existence et la géométrie des mouvements convectifs à l'intérieur de son manteau solide (sur Terre, les 3000 kms de roche solide sous nos pieds). La morphologie et les caractéristiques de la convection dépendent fortement des propriétés physiques du manteau et de l'existence d'hétérogénéités de densité.
Nous avons étudié à l'aide d'expériences de laboratoire les caractéristiques de la convection thermique dans les fluides visqueux de rhéologie complexe (dépendant fortement de la température, avec contrainte seuil, fragile) et pouvant présenter des hétérogénéités compositionnelles. L'interaction de ces dernières avec la convection produit toute une zoologie d'instabilités, en fonction de l'amplitude des contrastes de densité. Elles pourraient donc expliquer la diversité du volcanisme observé sur Terre. Par contre c'est le caractère complexe de la rhéologie qui est essentiel pour produire la Tectonique des Plaques. La dynamique des planètes a donc beaucoup à apprendre de la physique de la « matière molle ».
Monday, January 31st, 11AM:
Identification passive d'un milieu élastique avec dissipation visqueuse; application à un problème de diagnostic par auto-localisation de capteurs
Olivier Michel (Gipsa-Lab, Grenoble)
On s'intéresse au problème d'identification passive de paramètres physiques d'un milieu 3D à partir de signaux sismiques : seul le bruit sismique ambiant est exploité. Les éléments de bases concernant les fonctions de Green seront brièvement réintroduits, avant d'être étendus à la notion de corrélation de Green. Nous établissons la relation formelle entre la corrélation de Green et la fonction d'inter-corrélation des signaux mesurés sur des paires de capteurs, dans le cas d'un milieu de propagation 3D homogène, en présence de dissipation visqueuse. Nous présenterons enfin une application en cours de développement pour le diagnostic, basée sur un algorithme d'auto-localisation de capteurs à partir de matrices de distances creuses (non complètes).
Monday, January 24th, 11AM:
From ultracold Fermi Gases to Neutron Stars
Christophe Salomon (LKB, ENS Paris)
Ultracold dilute atomic gases can be considered as model systems to address some pending problem in Many-Body physics that occur in condensed matter systems, nuclear physics, and astrophysics. This point will be illustrated for the case of attractive spin 1/2 fermions with tunable interaction.
We will show that the gas properties can continuously change from those of weakly interacting Cooper pairs described by Bardeen-Cooper-Schrieffer theory to those of strongly bound molecules undergoing Bose-Einstein condensation. We have developed a general method to probe with high precision the thermodynamics of locally homogeneous ultracold gases [1,2]. This allows stringent tests of recent many-body theories. First, we focus on the finite-temperature Equation of State (EoS) of the unpolarized unitary gas. Surprisingly, the low-temperature properties of the strongly interacting normal phase are well described by Fermi liquid theory and we localize the superfluid phase transition. A detailed comparison with theories including Monte-Carlo calculations has revealed some surprises and the Lee-Huang-Yang corrections for low-density bosonic and fermionic superfluids are directly measured for the first time. Despite orders of magnitude difference in density and temperature, our equation of state can be used to describe low density neutron matter such as the outer shell of neutron stars.
[1] S. Nascimbène, N. Navon, K. Jiang, F. Chevy, and C. Salomon, Nature 463, 1057 (2010)
[2] N. Navon, S. Nascimbène, F. Chevy, and C. Salomon, Science 328, 729 (2010)
Monday, January 17th, 11AM:
Quantum glasses: frustration and collective behavior at zero temperature
Markus Müller (ICTP, Trieste, Italy)
Glasses are strongly interacting and disordered systems, which develop rather unusual amorphous order at low temperatures. The phase transition into the glass state is marked by the loss of ergodicity, i.e., the localization in phase space due to the emergence of high energy barriers. A similar localization phenomenon occurs in strongly disordered quantum systems. There, however, it is rather due to quantum interference and Anderson localization. I will review the unusual nature of glass phases and present new analytical results on quantum glasses. The latter elucidate the interplay of these entirely different causes of non-ergodicity, and offer an interesting perspective on fundamental questions in quantum statistical physics. The competition of glassy ordering and superfluidity of disordered bosons, and the possibility of amorphous supersolids will be discussed, as well.
Monday, January 10th, 11AM:
Manipulation et autopropulsion de colloïdes par forces osmotiques.
Cécile Cottin-Bizonne (LPMCN, Lyon)
Nous nous intéressons à un phénomène de transport interfacial, la diffusiophorèse, où le mouvement d'une particule ou d'une macromolécule est induit par un gradient de concentration en soluté. Ce phénomène, encore assez peu étudié, résulte d'une pression osmotique non équilibrée dans une fine couche diffuse (de 1 à 100 nm) à la surface de la particule. Nos expériences montrent que la diffusiophorèse est un moyen particulièrement efficace pour manipuler des colloïdes, former des structures ou bien encore engendrer l'autopropulsion de particules. Après une caractérisation de la dynamique individuelle de tels micronageurs, nous nous sommes intéressés aux propriétés statistiques de la sédimentation d'une suspension active de ces particules auto-propulsées dans une expérience de type Jean Perrin.
Monday, December 13th, 11AM:
Splines, fractals and sparse signal recovery
Michael Unser (Biomedical Imaging Group, EPFL)
Monday, December 6th, 11AM:
Réponse cellulaire à la rigidité : un peu de physique expérimentale
Les cellules vivantes sont sensibles aux propriétés mécaniques de leur environnement. Il a notamment été démontré que la rigidité de la matrice extracellulaire pouvait influencer l'étalement, la migration et même la différenciation des cellules souches. Ces propriétés remarquables ont été attribuées jusqu'ici à une réponse spécifique des complexes adhésifs qui relient mécaniquement intérieur et extérieur de la cellule, et constituent donc la voie de transmission des forces. L'idée est que, sur substrat mou, la contractilité cellulaire se traduit essentiellement par une grande déformation du substrat, de faibles forces générées et de faibles déformations des adhésions. En revanche, sur substrat rigide faiblement déformable, les forces générées par la cellule induisent des déformations importantes de certaines protéines des complexes adhésives. Ces protéines, en se déformant, révèleraient des sites de phosphorylation et induiraient ainsi des cascades chimiques de régulation.
La réponse à la rigidité telle que décrite précédemment pose cependant un certain nombre de questions. Par exemple, la réponse déclenchée par la déformation des contacts adhésifs est par définition locale et nécessite donc d'être coordonnée à l'échelle globale de la cellule pour permettre des processus organisés comme la migration orientée. Or, il n'existe aucun modèle pour cela. Pour répondre à ces interrogations, nous avons mis au point un dispositif nous permettant de caractériser mécaniquement la contractilité à l'échelle d'une cellule vivante isolée (force générée, puissance mécanique fournie...). Les résultats obtenus ont révélés un nouvel aspect de la mécano-sensibilité cellulaire, en montrant l'existence d'une réponse mécanique instantanée à l'échelle de la cellule, bien trop rapide pour les cascades chimiques invoquées jusque là. Nous présenterons les résultats expérimentaux ainsi que les mécanismes physiques possibles (tension de membrane, adaptation d'impédance) qui pourraient être à l'origine de la réponse cellulaire à la rigidité.
Monday, November 29th, 11AM:
Fracture fragile: échelles de longueur et interactions
Frederic Lechenault (CEA Saclay / LCVN Montpellier)
Apres avoir rappelé quelques aspects clés de la fracture fragile, nous nous intéresserons à deux questions ouvertes associées à ce phénomène. La première est celle de l’existence d’une échelle en deça de laquelle cette notion échoue lors de la fracture en corrosion sous contrainte de la silice. En d’autres termes, existe-t-il une zone d’endommagement au voisinage de la pointe de fissure dans ce processus et si oui quelle est sa taille ? Nous verrons que la microscopie à force atomique ne permet pas de répondre a cette question de manière claire. Nous présenterons cependant des résultats préliminaires concernant la présence et le rôle de l’eau dans ce phénomène. La deuxième question que nous aborderons est celle de la nature des interactions qui donnent naissance à un motif, très répandu dans la nature, correspondant à la rencontre de deux fissures se propageant l’une vers l’autre. Nous présenterons une caractérisation expérimentale de ces interactions, puis nous introduirons un modèle géométrique très simple qui nous permet de reproduire quantitativement nos observations.
Monday, November 22th, 11AM:
Aspiration et étalement de gouttes "vivantes"
Françoise Brochard (PCC, Institut Curie, Paris)
La morphogenèse embryonique, la cicatrisation des plaies, la croissance et la prolifération des tumeurs cancéreuses sont des exemples pour lesquels les propriétés mécaniques jouent un rôle important dans le fonctionnement du tissu. Il a été suggéré que certains tissus embryoniques se comportent comme des liquides ultravisqueux, alors que leur organisation ressemble à celle des mousses.
Nous allons décrire l’aspiration d'agrégats multicellulaires sphéroïdes, plus ou moins cohésifs, dans des micropipettes. Nous avons mis en évidence deux régimes de pénétration au dessus d'une pression critique, montrant que ces gouttes ont un comportement élastique aux temps courts, et visqueux aux temps longs, conduisant à une mesure du module élastique et de la viscosité du tissu. On a mis en évidence une augmentation de la tension superficielle aux grandes pressions d’aspiration suggérant une réponse active des cellules.
D’autre part, nous avons étudié l’étalement des gouttes de cellules déposées sur des substrats décorés de fibronectine. En fonction de l’adhésion intercellulaire Wcc et substrat/cellule Wcs, on a mis en évidence une transition de mouillage partiel à totale, où un film précurseur constitué d'une monocouche de cellules s'étale autour de l'agrégat. En faisant varier Wcc, on observe une transition liquide/gaz, où les cellules s’échappent de l'agrégat. La progression d’une tumeur non invasive en métastase maligne appelée transition épithélium – mésenchyme peut-être vue comme une transition de mouillage. La dynamique du mouillage observée est bien décrite par un modèle basé sur la viscoélasticité du tissu.
Monday, November 15th, 11AM:
Universal fluctuation-induced forces: the critical Casimir effect
Andrea Gambassi (SISSA, Italy)
In 1948, Hendrik Casimir predicted that two uncharged conducting surfaces in vacuum attract each other due to the quantum fluctuations of the electromagnetic field which are spatially confined by these surfaces. The classical analogue of this so-called Casimir effect originates from the confinement of thermal fluctuations in fluids near continuous phase transitions, such as the demixing of a mixture of two liquids or the normal-superfluid transition in 4He. Early indirect experimental evidence of this critical Casimir effect were provided by detailed studies of complete wetting films.
Thirty years after its first theoretical investigation by Michael Fisher and Pierre-Gilles de Gennes in 1978, the critical Casimir force has now been measured directly at the sub-micrometer scale by monitoring the Brownian motion of a colloidal particle close to a surface, both immersed in a near-critical liquid mixture.
I will present recent advances in the theoretical and experimental study of the universal properties of this novel fluctuation-induced force, discussing possible relevant applications for manipulating soft matter systems.
Monday, November 8th, 11AM:
Statistical mechanics of two dimensional and geophysical turbulent flows and the arrow of time
In many applications of hydrodynamics, one of the most important problem is the prediction of the statistics of the large-scale flow dynamics. Often, the highly turbulent nature of such flows, for instance ocean circulation or atmosphere, renders a probabilistic description desirable. We describe theoretical progresses in order to use statistical mechanics ideas for these problems and some applications to real geophysical flows.
We explain why equilibrium statistical mechanics is usually thought to be irrelevant for turbulent flows (the Rayleigh-Jeans paradox). But we also recall classical arguments explaining why this may be different in classes of systems involving more invariants. This is for instance the case for two-dimensional (2D-Euler equations) and geophysical flows (quasi-geostrophic models). We will briefly review the classical Onsager work, the Robert--Sommeria--Miller theory and some of their most recent developments.
A first aim of the talk is to discuss the range of applicability of this equilibrium theory to ocean dynamics. This range is probably limited due the inertial assumption underlying this equilibrium approach. Still we will show that the theory is able to reproduce in much details localized structures like westward mid-basin jets (Gulf Stream, Kuroshio) and ocean vortices (rings).
The second aim of this talk is to describe kinetic or dynamical approaches to non-equilibrium situations. The 2D Euler equations is a reversible Hamiltonian system. Still the evolution of the largest scales of the flow is irreversible. We first give recent precise results for the large time decay of the velocity field, for initial conditions close to parallel or circular flows, and a prediction of the final state of the large scale flow based only on dynamical considerations. We also explain the analogies and differences of this reversibility-irreversibility paradox with the arrow of time paradox classically discussed by Boltzmann and his followers. We also discuss briefly analogies with the non-linear Landau damping recently studied by Mouhot and Villani.
An important (and justified) criticism of the equilibrium theory is its inability to take into account forces and dissipation, which play an essential role in many problems. Based on the results for the irreversible relaxation of the 2D Euler equations, we present a theory for the 2D-Navier-Stokes equations with random forces, in a non-equilibrium steady state where forces balance dissipation on average. We describe non-equilibrium phase transitions.
Monday, October 18th, 11AM:
Impacts de gouttes par profilom�trie rapide (en salle des th�ses)
Guillaume Lagubeau (PMMH, ESPCI, Paris)
On �tudie l'impact de gouttes d'eau sur une surface solide ou un mince film liquide en utilisant une technique de profilom�trie rapide (Fourier Transform Profilometry). Dans le cas de l'impact sur un liquide, on met ainsi en �vidence pour la premi�re fois une instabilit� azimutale du bourelet provoqu�e par un m�canisme similaire � l'instabilit� de Rayleigh-Plateau d'un cylindre liquide. L'�tude de cette instabilit� est r�alis�e, dans l'approximation des films minces, � partir d'une solution autosimilaire axisymetrique de la d�formation de l'interface liquide dans les premi�res millisecondes apr�s l'impact.
Monday, October 11th, 11AM:
Inverse cascade and condensate (en Amphi H)
Gregory Falkovich (Weizmann, Israel)
We expect from turbulence fragmentation, mixing and loss of coherence. An inverse cascade, however, proceeds from small to large scales and brings some self-organization and eventually appearance of a coherent system-size condensate. I shall briefly review what we know (little from theory and a lot from experiments) about turbulence-condensate interaction. The main focus will be on 2d fluid turbulence where the condensate is a vortex, but brief comparison with a Bose-Einstein will be given. Applications to atmospheric phenomena will be briefly discussed.
Monday, October 4th, 11AM:
On peut entendre le spectre de Kolmogorov ! (en salle des thèses)
Nicolas Mordant (LPS, ENS Paris)
Ce titre est inspiré de celui de l'article "Can one hear the Kolmogorov spectrum ?" (Düring et al., PRL 2006) qui décrit l'application de la théorie de la turbulence faible au cas d'ondes élastiques sur une plaque mince. L'hypothèse de faible non linéarité des ondes permet de développer une théorie statistique analytique. Cette théorie s'applique potentiellement à une vaste palette de systèmes d'ondes tels que les vagues océaniques, les vents solaires (ondes d'Alfven), la turbulence superfluide (ondes de Kelvin) ou l'optique non linéaire. L'expérience, réalisée au LPS sur une tôle d'acier de 2m par 1m, permet effectivement d'entendre le spectre de Kolmogorov de la cascade d'énergie! Néanmoins les mesures acoustiques sont effectuées en champ proche et donc assez difficiles à exploiter. Par contre, en utilisant une méthode de profilométrie 2D à haute vitesse, il est possible de mesurer le champ de déplacement de la plaque sur une grande surface et d'en faire une étude statistique spatio-temporelle. Ce système est d'ailleurs celui qui permet les mesures les plus approfondies parmi les expériences dédiées à la turbulence d'onde. On observe que le spectre de puissance de la déformation présente effectivement un caractère turbulent mais ne vérifie pas les propriétés de loi d'échelle attendues. La théorie de turbulence faible repose en particulier sur les hypothèses suivantes: (i) séparation d'échelle (ii) système de grande taille (iii) faible non linéarité. Nous verrons dans quelle mesure ces hypothèses sont vérifiées ou non dans ce système. (i) par des mesures de turbulence en déclin il est possible de mesurer les échelles de temps dissipatives; une analyse en ondelettes met en évidence la dynamique des paquets d'onde et donne accès à l'échelle de temps non linéaire. (ii) des effets de taille finie sont mis en évidence. (iii) l'existence d'une relation de dispersion et ses propriétés montrent un accord qualitatif avec la théorie. Nous discuterons dans quelle mesure ces observations expliquent le désaccord entre l'expérience et la théorie.
Monday, September 27th, 11AM:
Coherence, interference and many-body dynamics in integer quantum Hall edge states
John T. Chalker (Physics Department, Oxford University)
One of the remarkable features of two-dimensional electron systems in the quantum Hall regime is that their only mobile excitations at low energy are confined to the edges of the sample. These quantum Hall edge states turn out to be ideal electron waveguides, and their properties have been investigated in a series of experiments of increasing sophistication over the past two decades. In particular, recent experiments probe coherence and many-body dynamics far from thermal equilibrium. I will review some of these experiments and describe the theoretical ideas which have been developed to understand them.
Monday, September 20th, 11AM:
Atmospheric boundary layer studies of subgrid-scale physics over the Plaine Morte Glacier
Marc Parlange (EPFL, Lausanne)
A field experiment – the Snow Horizontal Array Turbulence Study (SnoHATS) – has been performed over an extensive glacier in Switzerland in order to study small scale turbulence in the stable atmospheric surface layer, and to investigate the role, dynamics, and modelling of the subgrid scales in the context of large-eddy simulations. The a–priori data analysis aims at comparing the role and behaviour of the subgrid scales under stable conditions with previous studies under neutral or unstable conditions. It is found that the subgrid scales in a stable surface layer remain an important sink of temperature variance and turbulent kinetic energy from the resolved scales and carry a significant portion of the fluxes when the filter scale is larger than the distance to the wall. The fraction of SGS fluxes (out of the total fluxes) is found to be independent of stability. In addition, the stress-strain alignment is similar to the alignment under neutral and unstable conditions. The model coefficients vary considerably with stability but in a manner consistent with previous findings, which also showed that scale-dependent dynamic models can capture this variation. Furthermore, the variation of the coefficients for both momentum and heat subgrid-scale fluxes can be shown to be better explained by stability parameters based on vertical gradients, rather than vertical fluxes. These findings suggest that small-scale turbulence dynamics and subgrid-scale modelling under stable conditions shares many important properties with neutral and convective conditions, and that a unified approach is thus possible. The paper concludes with a discussion of some other challenges for stable boundary-layer simulations that are not encountered in the neutral or unstable cases.
Monday, September 13th, 11AM:
From Liquid Metal to Plasma Dynamos
Cary Forest (U. Wisconsin, USA)
Many astrophysical objects, like the Sun, are composed of high magnetic Reynolds number, turbulent, flowing plasma in which the flow energy is much larger than that of magnetic field. Creating such conditions in laboratory plasma experiments is challenging since confinement is usually required to keep the plasma hot (and conducting) which is typically achieved by using strong applied magnetic fields. For this reason, laboratory experiments using liquid metals have been addressing fundamental plasma processes in this unique parameter regime. This talk will begin by reviewing self-generation of a magnetic field of energy comparable to the turbulent flow from which it arises--the dynamo process. Liquid metal experiments have (1) demonstrated self-excitation of magnetic fields, (2) two scale dynamos where a small scale flow drives a large scale magnetic field, (3) intermittent self-excitation and a variety of time dynamics including field reversals, and (4) showed the existence of a turbulent electromotive force (mean-field current generation). Liquid metals are, however, not plasmas: dynamos may differ in plasmas where the relative importance of viscosity and resistivity can be interchanged, and new instability mechanisms, outside the scope of incompressible MHD may be critical in plasmas. This suggests that the next generation of experiments in this important astrophysics regime should be based upon plasmas. The Madison Plasma Dynamo experiment (now under construction) will then be described with an overview of the concept and show how the dynamos might operate in this plasma. Modeling of several experimental scenarios that mimic solar processes will also be described, including experiments on rotating, compressible convection driven by magnetic buoyancy.