À : IV Conf IV, 24 rue Lhomond, 75005, Paris , à 14:00

À : Campus Jussieu, 4 pl. Jussieu, Paris 5è, Tour 22-23, Étage 4, Salle de Conférences (401) , à 10:00

Numerical calculation methods are essential tools for supporting experimental research in chemical-physical problems, as their diversity and accessibility enable the study of a large number of systems. At thermodynamic equilibrium, the properties of the electronic ground state of a molecule or a solid can be studied using ab initio methods based on the evaluation of the electronic wavefunction or the electronic density, through the formalism of density functional theory (DFT). Among the many interactions, electronic exchange and correlation effects are the most complicated to evaluate. Advanced approaches, such as quantum Monte Carlo (QMC) or coupled cluster (CC), are able to provide an accurate description of these interactions, but at a high computational cost, which limits their application to the simplest systems. Thus, the ratio between the precision achieved and the numerical cost associated with the calculation is a decisive criterion in the choice of methods. This search of balance has represented an essential step in establishing this thesis work. On an apparently simple system — the hydrogen dimer (H2)2 — we found that only methods with an advanced description of exchange and correlation interactions are able to provide a satisfactory description of its potential energy surface. While some of the less advanced methods are able to return good results around the equilibrium geometry, they fail to describe the potential energy surface when the intermolecular bond distance of the dimer is compressed to values similar to those observed in solid hydrogen phases formed under megabar pressures. Of all the methods tested, those based on the random phase approximation (RPA) offer the best accuracy-cost ratio. This observation, in line with works we carried out prior to this thesis on the II-III phase transition of solid hydrogen, led us to consider extending the use of such methods to the calculation of physical quantities other than the energy. From this viewpoint, the determination of atomic forces is particularly relevant, as their knowledge allows us to understand the evolution of a system, identify its equilibrium geometry or calculate its harmonic vibration modes. We therefore sought to implement the analytical calculation of forces for the RPA method within the ACFDT extension of the Quantum ESPRESSO distribution, which uses plane waves and relies on the DFT formalism. This work has been successfully carried out in two distinct cases, with and without a self-consistent solving procedure of the Kohn-Sham equations. Because of the DFT formalism used, a self-consistent solution requires obtaining the RPA exchange-correlation potential through the optimized effective potential (OEP) approach. In both cases, forces of good quality have been calculated. Their evaluation at the RPA level shows a systematic improvement in the structural properties and vibration frequencies of molecules and solids compared with less advanced DFT methods. As the exact exchange potential formalism is similar between RPA and hybrid DFT methods, we also extended our force implementation to the latter. We were able to demonstrate that a self-consistent solution to the Kohn-Sham equations is often not necessary for computing any of the force-related properties. This work paves the way for a wider application of hybrid DFT and RPA methods to the calculation of additional physical quantities.

À : , à 14:00

À : , à 15:00

À : Institut d’astrophysique de Paris, 98 bis boulevard Arago, Amphi. Rez de chaussée , à 14:00

À : , à 14:00

À : Salle Itzykson Orme des meresiers, Bât. 774 - Point courrier 136 F-91191 Gif-sur-Yvette Cédex. , à 14:00

À : Amphithéâtre Charpak , à 15:00

La communication cellule-cellule participe à la régulation et à la synchronisation des fonctions cellulaires. Dans les tissus, le transport des ions et des molécules d’une cellule à l’autre s’effectue notamment à travers des pores protéiques nanométriques inclus dans la membrane cellulaire. De tels nanopores peuvent être inertes (simples nano-trous) ou mécanosensibles avec une perméabilité ionique/moléculaire qui dépend de la contrainte agissant sur la membrane. Ce projet propose une approche biomimétique de la communication cellule-cellule dans les tissus. Les tissus sont mimés avec des réseaux 2D de gouttelettes aqueuses reliées par des membranes lipidiques décorées de protéines transmembranaires, inertes ou mécanosensibles. Les protéines mécanosensibles sont synthétisées directement dans les gouttelettes à l’aide d’outils de biologie synthétique. Pour les réseaux inertes, nous étudions par microscopie à épifluorescence comment la diffusion des molécules de calcéine dépend de la topologie du réseau et de la concentration des pores. Nos résultats sont directement confrontés à des modèles de physique statistique du transport moléculaire basés sur des marches aléatoires en temps continu.Nous présentons également un système d’excitation mécanique mis en place pour déformer des réseaux de gouttes et les méthodes de biologie synthétique utilisées. Nous développons ces dernières dans le but d’insérer des protéines mécanosensibles dans la membrane DIB, afin d’obtenir une perméabilité moléculaire dépendante du stress, comme observée dans certains types de jonctions communicantes.

À : , à 16:00

Current classical simulations of physical phenomena face many limitations, particularly when dealing with complex systems such as turbulent fluids, plasmas or strongly correlated quantum materials. These simulations often struggle with high computational costs, limited scalability across multiple dimensions and time scales, and difficulties in capturing inherently non-linear or chaotic behaviors. Even with access to powerful high performance computing (HPC) resources, accurately resolving fine-scale dynamics or long time evolutions remains a significant challenge. The development of novel numerical methods is therefore essential for both academic research and industrial applications. Quantum computers emerge as novel numerical tools for studying such systems and solving the partial differential equations that model them. Thanks to the superposition and entanglement properties of qubits, digital computations can be performed in novel ways, offering promising theoretical speedups for certain problems. In this context, this thesis contributes to the development and understanding of quantum algorithms, ranging from the design of quantum circuits to the numerical solutions of partial and ordinary differential equations. First, efficient quantum circuits are presented for the implementation of crucial routines that are prevalent in quantum algorithms (multi-controlled operations, quantum state preparation, diagonal operations), and for a novel routine: the quantum Laplace transform. These routines limited the efficiency of quantum algorithms due to generic implementations that required complexities scaling exponentially with the number of qubits. Now, these tasks can be performed with tailored quantum circuits that leverage the structure of the physical problems. In the second part, quantum numerical schemes are introduced to address anisotropic transport equations and non-linear Hamiltonian ODEs. These schemes are composed of three steps (initialization, evolution, and measurement) and are based on high-ordered finite-difference and product formula approximations, also known as Trotterization. Efficient protocols to measure quantities of interest are presented, and a novel numerical analysis based on the vector norm instead of the generic operator norm is introduced, proving that the number of time-steps can be reduced by a factor that scales exponentially with the number of qubits while reaching similar accuracy. Additionally, non-linear Madelung transforms are studied to solve fluid equations on quantum computers. The various results of this thesis are illustrated with classical simulations of the quantum algorithms and simulations on real quantum hardware. This work lays the foundations for the practical simulations of classical physical systems on both current noisy-intermediate-scale quantum devices and future fault-tolerant quantum computers.

À : , à 14:00

Light-matter interactions are often viewed as primarily driven by the electric field, with the magnetic component frequently overlooked. However, the magnetic field plays a critical role in numerous optical processes, such as chiral light-matter interactions, photon avalanching, and forbidden photochemistry, highlighting the importance of controlling magnetic processes in optical phenomena. My thesis work investigates the magnetic component of light from multiple perspectives, establishing it as an exciting new degree of freedom in light-matter interactions. Specifically, by controlling the spatial distributions of the electric and magnetic fields in the intermediate-field through standing waves and in the near-field via localized plasmons, we demonstrate the selective manipulation of the coupling between the electric or magnetic component of light and matter, both at the excitation and emission. Moreover, building on this expertise, we are also studying and manipulating complex optical systems, such as Tm³⁺-doped avalanche nanoparticles. These systems exhibit a non-linear electric and magnetic response to the excitation source, similar to self-organized criticality phenomena like earthquakes, mexican wave or civil revolution, which display avalanche-like behavior. This makes them promising probes for studying these exotic, potentially multidisciplinary effects. Finally, on the same theme, I will introduce a theoretical study of a new type of photonic antenna that behaves like a magnetic monopole, operating from the visible range down to GHz frequencies. This once again underscores the significance of exploring and manipulating the magnetic component of light at various spatial scales to harness its potential for a wide range of applications.

À : CEA-Saclay, Service de Physique de l’Etat Condensé, Amphithéatre Claude Bloch , à 14:00

Depuis la découverte de l’effet Hall quantique, les états quantiques topologiques ont révolutionné notre compréhension du transport électronique en 2D, notamment par l’apparition de quasiparticules exotiques comme les anyons. Malgré des prédictions théoriques solides, leur étude expérimentale reste limitée, notamment concernant leur comportement ondulatoire et interférentiel. Cette thèse étend l’usage des interféromètres Mach-Zehnder en graphène au régime fractionnaire, grâce à des avancées en nanofabrication : grilles en graphite séparées par des tranchées <80 nm et dopage optimisé des contacts. Ces dispositifs ont permis d’observer pour la première fois des interférences quantiques à ν = 2/3, révélant des informations sur la structure des canaux de bord, la polarisation en spin et la décohérence thermique. Dans le régime entier, la réduction de la distance intercanal produit de l’appariement électronique mais lève aussi la dégénérescence entre les deux interféromètres de spin opposé, révélant un comportement analogue au dispositif de gomme quantique. Une géométrie adaptée a permis de distinguer les contributions des canaux interne et externe à ν = 2 et d’étudier leur interaction mutuelle. Ce même dispositif démontre aussi des applications en valleytronique, permettant la manipulation individuelle de l’isospin des électrons sans compromettre l’aire de l’interféromètre. Enfin, à ν = 1, le régime ferromagnétique a été exploité pour générer et détecter des magnons, dont la propagation a été analysée. La présence d’une région à ν = 1 + ϵ a permis d’observer la formation de skyrmions, confirmée par la diffraction des magnons à travers une jonction PN.

À : Amphithéâtre Blandin au LPS , à 14:00

Lors de l’impact d’une goutte sur une interface solide ou liquide, celle-ci se déforme, s’étale et se rétracte. La solidification de la goutte au cours de l’impact ouvre la possibilité de générer des formes solides variées et contrôlées. Travailler avec des interfaces liquides permet d’avoir une interface sans défaut pour la solidification et de diversifier les comportements à l’impact. Le but de cette thèse est d’étudier l’impact de gouttes sur une interface liquide, à une température inférieure à la température de solidification de la goutte. On s’intéresse donc à la compétition entre l’étalement et la solidification, et plus particulièrement aux morphologies des gouttes solidifiées en fonction de plusieurs paramètres comme le choc thermique, la vitesse d’impact et l’épaisseur du substrat liquide. Plus précisément, on modélise la nucléation de cristaux et leur croissance à l’interface, ce qui permet d’établir un temps de couverture de l’interface liquide-liquide par les cristaux. Après avoir caractérisé les temps typiques des différents phénomènes en jeu pour l’ensemble de nos expériences (impact, transfert thermique, solidification) , on met en évidence que le temps de couverture de l’interface est comparable à l’hydrodynamique. La comparaison de ces échelles de temps permet de prédire la transition de formes plates à des formes concaves. Enfin, on décrit les morphologies de différents systèmes, avec par exemple la formation de plis ou d’origami capillaire en fonction de l’épaisseur de goutte solidifiée au cours de l’impact.