SPHYNX
Systèmes Physiques Hors-équilibres hYdrodynamiques éNergie et compleXité
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Welcome / Bienvenue au SPHYNX

out-of-equilibrium Systems and Physics - HYdrodynamics -  eNergy and compleXity

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The SPHYNX team / L'équipe SPHYNX

 

SPHYNX, created in January 2012, consists of 18 permanent researchers, engineers and technicians from CEA and CNRS. Our active research efforts encompass a wealth of multidisciplinary characters; theoretical, numerical and experimental, to studyphysical systems that are far from equilibrium.

Statistical physics of equilibrium systems provides today a well-established framework for classical thermodynamics. However, most 'real world' systems found in condensed matter, biology, natural or industrial macrocosms are out-of-equilibrium, either because of the presence of external forcing or because they cannot relax back to equilibrium. These systems are often non-linear, disordered and/or complex and present emerging properties of their own.

The goal of SPHYNX is to gather researchers working on different objects but using common tools, those of the statistical physics to tackle the same challenge, that of complexity. Our current research subjects focus on the following domains:

 

Nos thèmes de recherche :


 

Contact: Daniel Bonamy (Responsable du SPHYNX)

 

 
#214 - Màj : 04/12/2020
Thèmes de recherche

Conversion de l'énergie

Le développement des nouvelles technologies pour l'énergie implique de maitriser les processus de conversion entre ses différentes formes (solaire, thermique, chimique, électrique, mécanique, ...),  ainsi que les procédés de stockage  : L'énergie solaire peut être directement transformée en énergie électrique via les processus photovoltaïques et stockée dans des accumulateurs.

Conversion de l'énergie
Physique statistique et systèmes complexes

Physique statistique et systèmes complexes

Un système complexe est constitué d'un grand nombre d'entités en interaction, dont on ne peut prévoir le comportement ou l'évolution par un calcul simple (ex : étude des transitions de phase, turbulence dans un liquide, milieu granulaire, vols d'étourneaux...

Statistical physics in mechanics

Understanding the relations between materials microstructure and their mechanical properties is of outmost importance in  geophysics and for industrial design. Concerning material failure, the competition between stress enhancement in the vicinity of cracks and disorder in the material microstructure makes it rather complex to predict. However, the tools of out-of-equilibrium statistical physics provide the proper framework to describe crack growth.

Statistical physics in mechanics
Voir aussi
Voir aussi
2012 SPHYNX Publications : 2012   Publications
2013 SPHYNX Publications : 2013   Publications
2014 SPHYNX Publications : 2014   Publications
2015 SPHYNX Publications : 2015   Publications
IMAFMP Publications : IMAFMP   Publications
Matière Active - Matière Granulaire / Active matter - Granular matter : Matière active : Modélisation d’expériences in vivo Classes d’universalité Interactions non décomposables en paires Equations continues Nouveaux modèles Renormalisation non perturbative Criticalité auto-organisée Voisinages non métriques Matière granulaire : Interaction particules-fluide en rotation. Méca. Stat.
Prix Jacques Herbrand 2020 de l'Académie des Sciences décerné à Basile Gallet : Le Prix Jacques Herbrand* 2020 de l'Académie des Sciences est décerné à Basile Gallet, chercheur au sein de l'UMR SPEC CEA-CNRS, pour ses recherches sur la turbulence.
SPHYNX Publication List 2007-2011 : 2008 - 2011   Publications
SPHYNX Publications : 2016   Publications
Faits marquants scientifiques
19 février 2021
Une équipe réunissant des chercheurs du SPEC, de l’IPhT et de l’ENS-Paris a montré l’absence de transition de Gardner dans un verre moléculaire archétypique –le glycerol- jusqu’à une température de 10Kelvins.
08 juillet 2020
Contacts SPEC : Dana Stanescu, Helene Magnan, Jean-Baptiste Moussy, Cindy Rountree, Antoine Barbier
Les matériaux ferroélectriques ont connu un essor considérable en raison de leurs applications potentielles dans des domaines comme la spintronique ou la conversion de l’énergie solaire1–3. Au SPEC nous avons étudié le rôle des interfaces, du substrat et des couches d’oxyde supérieures sur les propriétés ferroélectriques des hétérostructures à base des couches minces de BaTiO34.
12 juin 2020
Des chercheurs de SPEC/SPHYNX, du CNRS-Université de la Sorbonne/PHENIX et du LLB/MMB publient une étude complète sur des suspensions colloïdales modèles dans un liquide ionique.
13 décembre 2019
La ténacité d’un matériau définit sa résistance à rupture. Si on sait la mesurer expérimentalement de manière précise, on ne sait pas, à l’heure actuelle, prévoir sa valeur à partir de la structure atomistique du matériau considéré, même dans les cas les plus simples.
17 décembre 2018
Dans un article publié le 28 décembre 2018 dans PNAS [1], le groupe d’Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC), en collaboration avec celui de Hepeng Zhang à l’Université Jiao Tong de Shanghai, a réussi à modéliser quantitativement la structure et la dynamique des défauts topologiques d’un cristal liquide actif fait de bactéries.
05 novembre 2018
Collaboration SPEC - Université de Cambridge
In a recent article published in Phys. Rev. X [1], a collaboration between C. Nardini (SPEC) and Cambridge University studied phase separation phenomena in active colloidal fluids. It was shown that microphase separation, or phase separation between a vapour-like phase and a seemingly boiling liquid, should be generically expected. The analysis provides the basic framework to control these new phases of matter in future experiments.
21 août 2018
La convection thermique est à l'origine des écoulements turbulents au sein des atmosphères planétaires, des océans, des étoiles et des planètes. En astrophysique, un des objectifs est de déterminer les lois régissant le transport convectif de chaleur, afin de les inclure dans les modèles d'évolution stellaire.
19 mai 2018
Dans un article publié le 17 Mai 2018, dans la revue Cell, l'équipe dirigée par Guillaume Duménil à l'Institut Pasteur, en collaboration avec le groupe d’Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC) et celui de Raphaël Voituriez (UPMC), décrypte une étape clé de l’infection causée par le méningocoque, un pathogène humain responsable de méningites chez les nourrissons et les jeunes adultes.
12 avril 2018
Pour l'ensemble des activités humaines, les pertes thermiques représentent 20 à 50 % de la consommation totale d'énergie. Récupérer sous forme d'électricité une fraction de cette chaleur résiduelle aujourd'hui perdue, améliorerait grandement notre efficacité énergétique.
28 mars 2018
Les séismes majeurs sont imprévisibles et pourtant l'analyse statistique des évènements précurseurs et des répliques au choc principal suivent des lois statistiques aujourd'hui bien établies, mais dont l'origine reste encore très mal comprise. En physique statistique, les mêmes lois peuvent s'appliquer à des systèmes en apparence très différents.
02 septembre 2017
Dans une expérience de laboratoire, les chercheurs de l’Iramis/SPEC ont observé qu'un écoulement très turbulent pouvait présenter une dynamique chaotique entre plusieurs régimes d'écoulements métastables.
07 juillet 2017
​En s'appuyant sur une expérience de laboratoire, des chercheurs de l'Iramis et du LSCE proposent un jeu de trois équations "simples" pour représenter un écoulement très turbulent. Ces équations conduisent à un comportement extrêmement chaotique qu'on pourrait qualifier de "super-effet papillon".
14 mai 2017
Les mouvements de convexion des plasmas ou liquides conducteurs au cœur des étoiles et de certaines planètes sont à l'origine de l'émergence spontanée d'un champ magnétique par effet dynamo.
23 janvier 2017
An international team published in Nature, the discovery and interpretation of a surprising form of biological collective motion:  They observed that millions of motile cells in dense bacterial suspensions can self-organize into highly robust collective oscillatory motion, while individuals move in an erratic manner.
23 janvier 2017
Une équipe du Service de Physique de l'État Condensé (IRAMIS/SPEC – UMR 3680 CEA-CNRS) est coordinatrice du projet européen H2020 – FET Proactive* MAGENTA, qui est lancé le 23 janvier 2017, pour une durée de 4 ans (2017-2020).
12 août 2016
L'énergie mécanique injectée dans un fluide visqueux se dissipe sous forme de chaleur par l'effet de la viscosité. Cette conversion est extrêmement complexe, et s’opère via des mouvements tourbillonnants sur une large gamme d’échelles. Les physiciens pensent que ce processus est bien décrit par les équations de Navier-Stokes.
01 juin 2016
Les verres forment l’essentiel de nos matériaux du quotidien, et prennent une place croissante dans les technologies modernes (fibres optiques, etc…).
02 octobre 2015
Pour relever le défi de l’accès à une énergie propre et durable il faut mener des efforts de recherche technologique mais aussi poser – ou réexaminer – des questions fondamentales sur la conversion d'énergie, toujours accompagnée de dissipation et d’une production d’entropie.
04 septembre 2015
Les comportements d'imitation constituent la clé de voute de très nombreux phénomènes collectifs observés dans les groupes animaux.
20 février 2015
La turbulence dans un fluide est un phénomène familier, qui se caractérise par la présence de tourbillons de toutes tailles et un comportement désordonné et imprédictible.
14 novembre 2014
L’effondrement de structures molles est un phénomène omniprésent dans notre quotidien : la mousse d’un cappuccino soutient son poids, mais se brise irréversiblement sous les coups de cuillère impitoyables du chercheur en mal de caféine ; une pile de sable résiste au vent mais s’effondre lorsque l’on marche dessus.
09 avril 2014
Collaboration entre l'IRAMIS/SPEC du CEA et le Centre de Recherches sur la Cognition Animale (UMR 5169, UPS - CNRS)
  En collaboration avec des biologistes et physiciens du Centre de Recherches sur la Cognition Animale de Toulouse, l'équipe de Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC/SPHYNX) a construit puis étudié un modèle permettant de simuler numériquement la dynamique collective d'un banc de poissons.
19 août 2013
Une fracture sous l'effet d'une contrainte peut se propager de façon continue ou intermittente, et il est technologiquement très utile de pouvoir prédire dans quel régime se produira la propagation d'une éventuelle fissure. Par une approche statistique, une description globale des deux régimes a pu être obtenue, ainsi que le diagramme de phase précisant leurs conditions d'apparition.
16 juillet 2013
La possibilité d’utiliser la chaleur issue de processus industriels comme source d’énergie d’appoint en complément de l’énergie d’origine fossile est une alternative  de plus en plus envisagée. La  récupération de cette énergie thermique peut être obtenue par voie thermoélectrique (effet Seebeck).
14 novembre 2012
contact: F. Ladieu   Lorsqu’il est trempé sous sa température de transition vitreuse Tg, un verre se met à vieillir : ses propriétés se mettent à dépendre de son âge ta, c’est-à-dire du temps écoulé depuis le franchissement de Tg.
25 juin 2012
La turbulence d'un liquide conducteur permet l'émergence spontanée d'un champ magnétique par effet dynamo. Nous présentons la première mise en évidence expérimentale d’un champ magnétique spatialement localisé, engendré par cet effet dynamo.
22 mars 2012
Yutaka Sumino 1, Ken H. Nagai2, Yuji Shitaka3, Dan Tanaka4, Kenichi Yoshikawa5, Hugues Chaté6 and Kazuhiro Oiwa3,7
( English version) L'émergence d'un ordre au sein d'une assemblée d'objets en interaction est toujours fascinante à étudier. L'observateur est alors face à de nombreuses questions sur l'origine profonde de cet ordre et les conditions de son apparition.
13 mars 2012
Les matériaux fragiles comme le verre se cassent par propagation de fissures. Pour prévoir leur comportement à la rupture il faut notamment connaître l'énergie mécanique dépensée et la vitesse d'avancée de la fissure et comprendre les facteurs dont elles dépendent.
06 mars 2012
P.P. Cortet, E. Herbert, A. Chiffaudel, F. Daviaud, B. Dubrulle, V. Padilla
  Contact: F. Daviaud   En étudiant la réponse d’un écoulement pleinement turbulent à une brisure de symétrie de son forçage, sur une gamme de nombre de Reynolds, Re, allant de 150 à 106,  nous avons récemment mis en évidence pour Re = 40 000 une transition de phase analogue à la transition para-ferromagnétique.
23 novembre 2011
K. Katsuyoshi, D. L'Hôte, S. Nakamae, M. Konczykowski, V. Mosser
Le théorème de fluctuation-dissipation, reliant l'intensité des fluctuations d'une observable à la réponse à une sollicitation, est un principe vérifié pour tous les systèmes à l'équilibre thermodynamique.
Publications HAL

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Thèses
4 sujets /SPEC/SPHYNX

Dernière mise à jour : 27-02-2021


 

Sonder les systèmes désordonnés avec des ondes cohérentes

SL-DRF-21-0428

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Sébastien AUMAITRE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2021

Contact :

Sébastien AUMAITRE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX


Directeur de thèse :

Sébastien AUMAITRE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX


Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/sebastien.aumaitre/

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

La spectroscopie d'ondes cohérentes dans un outil puissant pour sonder les propriétés de la matière. Cependant, la propagation des ondes dans les milieux désordonnés est un domaine important de la physique qui n'est pas encore entièrement compris. De nombreux régimes ont été identifiés en fonction de la longueur d'onde et des tailles caractéristiques dans les milieux aléatoires. Dans cette thèse de doctorat, nous proposons d'explorer deux de ces régimes.



À la limite des petites longueurs d'onde par rapport à la distance entre les diffuseurs, elle-même beaucoup plus petite que la taille du système, nous entrons dans le régime multi-diffusif. L'étude de la décohérence de la lumière multi-rétrodiffusée est utilisée pour sonder les milieux turbides. Nous avons développé cette technique, appelée spectroscopie d'ondes diffusantes (DWS), dans notre laboratoire pour étudier les écoulements de fluides turbides et prouvé son efficacité pour sonder la dissipation dans les couches limites. Nous aimerions maintenant utiliser cette technique comme un outil pour étudier la dissipation dans de nombreux cas pertinents en hydrodynamique. Elle semble particulièrement adaptée pour explorer la nature du mécanisme de dissipation dans les écoulements à surface libre. Cela reste une question ouverte dans de nombreuses situations jouant un rôle important dans les écoulements géophysiques. Le problème n'a jamais été exploré expérimentalement en raison du manque de capteurs adéquats. Nous pensons que la DWS pourrait combler cette lacune. Pour aller plus loin, nous voudrions également considérer la décohérence de la lumière transmise, qui donnera accès à la dissipation globale dans l'écoulement. C'est une mesure pertinente surtout dans les écoulements turbulents où les processus dissipatifs sont au cœur des considérations théoriques. Le développement d'un tel dispositif sera le prochain défi technique sur e sujet.



Lorsque la longueur d'onde devient de l'ordre de la longueur caractéristique du désordre, un autre régime se produit : la localisation de l'énergie des ondes à l'intérieur du milieu aléatoire se produit à cause des interférences. Ce phénomène a d'abord été dérivé pour les ondes électroniques en physique du solide. Il est bien établi pour régime linéaire avec des milieux aléatoires décorrélés, mais le rôle de la non-linéarité et des conditions limites mérite des études expérimentales plus poussées. Nous aimerions ici mettre en évidence ces phénomènes avec une onde de flexion dans une plaque élastique mince (~2mX1mX0.5mm) avec des défauts aléatoires de masse ou de déplacement. Dans ce système 2D, la localisation devrait être critique. Cela semble être un système expérimental polyvalent idéal pour sonder le rôle des effets non linéaires et des conditions limites réalistes sur la localisation. Il nous permettra de retracer la localisation sur les fluctuations de la puissance injectée pour générer les ondes.



Nous recherchons des étudiants attirés par des expériences dans de nombreux domaines de la physique (physique non linéaire, mécanique des fluides, optique, ondes mécaniques...)
Conversion de l'énergie thermoélectrique en ferrofluides pour un capteur de chaleur solaire hybride

SL-DRF-21-0299

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Sawako NAKAMAE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Sawako NAKAMAE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

Directeur de thèse :

Sawako NAKAMAE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

Page perso : http://iramis.cea.fr/spec/Phocea/Pisp/index.php?nom=sawako.nakamae

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX/

Voir aussi : https://www.magenta-h2020.eu

Les matériaux thermoélectriques (TE) capables de convertir la chaleur en électricité sont considérés comme une solution possible pour récupérer la chaleur fatale provenant du flux de déchets industriels, de moteurs, d’appareils électroniques ménagers ou de la chaleur corporelle. Depuis plusieurs années, au sein du laboratoire SPHYNX nous explorons les effets thermoélectriques dans les nanofluides ioniques, où des nanoparticules chargées électriquement servent à la fois de porteurs de chaleur et d'électricité. Contrairement aux matériaux solides, plusieurs effets TE interdépendants se produisent dans ces fluides, en donnant des valeurs du coefficient thermoélectrique généralement supérieures d'un ordre de grandeur à celles des semiconducteurs solides. De plus, les liquides thermoélectriques sont constitués de matières premières abondantes, et ils font l'objet d'une attention particulière en tant que futurs matériaux TE peu coûteux et écologiques. Alors que les origines précises des phénomènes thermoélectriques dans ces fluides sont encore débattues, nos résultats expérimentaux indiquent que les natures physico-chimiques d’interface particule-liquide y jouent un rôle décisif.



L'objectif du projet de doctorat est double. Premièrement, nous étudierons les mécanismes thermodynamiques sous-jacents à la production du potentiel thermoélectrique dans les nanofluides par mesures systématiques du coefficient Seebeck et le courant électrique produits. Les résultats seront comparés à leur propriétés thermo-diffusives étudiées par ailleurs dans le cadre d'actions de collaboration. Deuxièmement, le projet vise à développer des dispositifs de capteurs solaires hybrides de niveau « preuve de concept », capables de co-générer de la chaleur et de l'électricité. Ce dernier fait partie d'un projet en cours, SolTE-Hybrid (financement PALM-Valorisation) qui a démarré en septembre 2020.



Le projet de recherche proposé est principalement expérimental, impliquant des mesures thermoélectriques, thermiques et électrochimiques ; la mise en place d'un système d'acquisition de données automatisé et l'analyse des données obtenues. Des notions de thermodynamique, de physique des fluides et de physique de l'ingénierie (des dispositifs), ainsi que des connaissances pratiques sur la manipulation des dispositifs de laboratoire sont souhaitées. Des connaissances de base en optique et en électrochimie sont un plus mais pas obligatoires. Pour les étudiants motivés, des simulations numériques utilisant des logiciels CFD commerciaux peuvent également être envisagées.
Modélisation par les données et théorie des suspensions actives denses

SL-DRF-21-0417

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Hugues CHATE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Hugues CHATE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087535

Directeur de thèse :

Hugues CHATE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087535

Page perso : http://iramis.cea.fr/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=chate

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

Contexte : La matière active --composée d’unités convertissant de l'énergie en travail mécanique-- est actuellement un domaine de la physique statistique en pleine croissance, avec de nombreuses connexions en biologie. Même si les connaissances progressent rapidement, la compréhension théorique fine des résultats expérimentaux reste souvent assez superficielle.



Travail envisagé : Nous avons récemment développé des modèles de micronageurs en interaction simples, versatiles, et numériquement efficaces dont nous avons montré qu’ils peuvent décrire quantitativement des expériences réalisées sur des colonies de bactéries [PNAS 116, 777 (2019)]. Ces modèles traitent les interactions de champ court entre micronageurs de manière effective. Pour rendre cette modélisation par les données plus performante, nous projetons d’utiliser des méthodes AI/ML à la fois pour apprendre, à partir de données expérimentales respectivement locales et globales, les interactions effectives locales et les jeux de paramètres optimaux du modèle. Une deuxième étape consistera à dériver des théories continues à partir des modèles particulaires (méthodes de type théorie cinétique), et de les « recaler » sur les données, si possible par apprentissage des coefficients de transport.



Résultats attendus : jumeaux numériques efficaces de fluides bactériens denses, théories quantitatives dérivées des données pour ces systèmes. Méthodologie innovante pour la modélisation quantitative des suspensions actives et des matériaux actifs biomimétiques.

Stochasticité spontanée et singularités en turbulence

SL-DRF-21-0370

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Bérengère DUBRULLE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Bérengère DUBRULLE
CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Directeur de thèse :

Bérengère DUBRULLE
CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/berengere.dubrulle/index.html

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

On sait depuis Lorentz que les mouvements des fluides, notamment l’atmosphère et l’océan est chaotique : dans l’espace des phases, deux points initialement proches, s’écartent exponentiellement, permettant ainsi de produire le fameux effet papillon. Ce qu’on sait moins, c’est que ces mêmes fluides sont victimes d’un phénomène encore plus violent appelé "stochasticité spontanée", au cours duquel deux points de l’espace physique se séparent algébriquement de façon indépendante de leur distance initiale. Les mathématiciens suspectent que ce phénomène, observé dans des simulations numériques, est créé par l’existence de singularités dans les équations du mouvement, brisant ainsi l’unicité des solutions. Par contre, il n’existe à ce jour aucune démonstration expérimentale de ce phénomène, ni de preuve de son lien avec des singularités ou quasi-singularités.



Le but de cette thèse est de combler ces lacunes en utilisant une nouvelle expérience appelée GVK. Cette expérience a été spécialement conçue pour explorer la dynamique de particules et des mouvements turbulents, avec une résolution jamais atteinte jusqu’à présente. Au cours de cette thèse, on effectuera des mesures expérimentales à l’aide de dispositif d’imagerie vélocimétrique, et on analysera les données pour mettre en évidence le phénomène, et ses liens possibles avec des quasi-singularités.



La quête des singularités dans les équations d’Euler ou de Navier-Stokes représente un problème bien connu (cf. AMS Millenium Clay Prize), mais les récentes avancées, tant au niveau numérique qu’expérimental, remettent ce problème de nouveau d’actualité. En particulier, notre groupe a récemment mis en évidence, dans un écoulement turbulent de laboratoire, l’existence d'événements intenses de dissipation d'énergie non-visqueuse qui pourraient être associés aux singularités recherchées par les mathématiciens (Saw et al, Nature Communication 7 (2016) 12466).
Stages
Design par IA d'architectures optimales pour métamatériaux ultra-légers et résistants à la rupture et déformation
Design by AI of optimal architectures for ultralight metamaterials resistant to fracture and deformation

Spécialité

PHYSIQUE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BONAMY Daniel
+33 1 69 08 21 14

Résumé/Summary
Le stage s'inscrit dans un projet de recherche visant à développer une nouvelle classe de méta-matériaux poreux, d’architecture aléatoire et inspirée de la structure osseuse pour combiner légèreté et résistance à la rupture.
The internship is part of a research project aiming at developing a new class of porous meta-materials with a random architecture inspired by that of bones, to achieve high performance in terms of both lightness and resistance to fracture.
Sujet détaillé/Full description
La recherche de matériaux combinant légèreté et résistance mécanique est un domaine en plein essor, tiré, dans le domaine du transport notamment par la volonté de réduire les émissions de CO2 et de développer des véhicules économes en carburant. Des progrès importants ont été accomplis récemment ; les méta-matériaux ou matériaux architecturés offrent dans ce contexte un potentiel considérable (e.g micro-lattice inventé au Caltech, produit par Boeing).

Les voies explorées actuellement portent sur des architectures périodiques, inspirées des cristaux. Le critère de Maxwell permet alors, à partir du nombre d’entretoises et de joints presents dans une maille élémentaire, de prévoir si la structure se déformera du fait de l’étirement, ou de la flexion de ses entretoises, et par suite d’estimer la rigidité du métamatériau et sa variation avec la densité du matériau. En revanche, les matériaux architecturés observés dans la nature (os, structure alvéolaire des écorces…) présentent des architectures aléatoires optimisées pour répondre à une certaine sollicitation du milieu ou remplir une fonction précise.

L’idée proposée ici vise à utiliser les outils de l’intelligence artificielle (IA) et de l’optimisation topologique pour renforcer les architectures sans présupposer celles-ci. Le stage est principalement numérique et théorique. Nous partirons d’un modèle de poutres récemment développé dans le laboratoire. L’objectif final est le développement d’un algorithme permettant de définir des architectures optimales en termes de rigidité mécanique et résistance à la fissuration, sous contrainte de conditions de densité et d’isotropie mécanique, avec l’aide d’outils à définir : fonction de coût et poids associés, descente de gradient pour la minimisation, réseau de neurones etc. Une composante expérimentale pourra être inclue, avec la fabrication additive des métamatériaux obtenus numériquement et leur caractérisation mécanique sur les bancs expérimentaux développés dans notre laboratoire.
The quest toward high-performance materials combining lightness and mechanical strength gave rise to a flurry of activity: desire to reduce CO2 emissions and develop fuel-efficient vehiclesin the transport industries for instance. In this context, meta-materials or architectured materials offer considerable potential (e.g. micro-lattice invented at Caltech and produced by Boeing) and significant progresses have been achieved recently.

The routes explored so far have mainly focused on periodic architectures, inspired from crystals. Maxwell's criterion makes it possible, from the number of struts and joints present in a basic cell, to predict whether the structure deformation will stretching- or bending-dominated, and consequently to estimate overall metamaterial stiffness and its its variation with material density. Conversely, the architecture materials observed in nature (bone, cellular structure in bark...) present random architectures optimized to respond to a certain stress of the environment or fulfill a specific function.

The idea proposed here is to use the tools of artificial intelligence (AI) and topological optimization to strengthen architectures without presupposing them. The intership is mainly numerical and theoretical. We will start from a beam model recently developed in the lab. The final objective is the development of an algorithm to define optimal architectures in terms of mechanical stiffness and cracking resistance, under constraints of density conditions and mechanical isotropy, with the help of tools to be defined: cost function and associated weights, gradient descent for minimization, neural network etc. An experimental component may be included, with the 3D-printing of the metamaterials designed numerically and their mechanical characterization on the experimental setups developed in our lab.
Mots clés/Keywords
IA, physique statistique, mécanique du solide
AI, statistical physics, solid mechanics
Compétences/Skills
Apprentissage automatique, simulation numérique, modèle de poutres
Machine learning, numerical simulation, beam model
Logiciels
Python
Friction du vide lors de collisions atomiques et subatomiques
Vacuum friction on colliding atomic and subatomic structures

Spécialité

Physique théorique, mécanique quantique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

15/04/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Bercegol Herve
+33 1 69 08 74 37

Résumé/Summary
Le but de ce stage est de calculer l'effet dynamique de la mer de Dirac sur les collisions atomiques, en tenant dûment compte de la dynamique sous-jacente des électrons et des protons.
The goal of this internship is to calculate the dynamical effect of the Dirac sea on atomic collisions, by due consideration of the underlying dynamics of electrons and protons.
Sujet détaillé/Full description
Nous étudions les phénomènes dynamiques d'interaction entre la matière et le vide quantique en tant que cause possible de la deuxième loi de la thermodynamique. Des paires d'atomes en rotation subissent un couple dû au champ électromagnétique du point zéro du vide, calculé pour des atomes identiques ou différents. Le système matériel échange du moment angulaire avec le vide sous-jacent.
Cela rappelle le spin de l'électron, qui semble être intimement lié à l'interaction de la particule avec les champs du vide : le champ électromagnétique de point zéro et le champ de Dirac des paires électron-positron. Le but de ce stage est de calculer l'effet dynamique de la mer de Dirac sur les collisions atomiques, en tenant dûment compte de la dynamique sous-jacente des électrons et des noyaux, des protons pour commencer.
The quantum vacuum is populated with fluctuating, lowest energy states of particles and fields, a typically quantum, rather fascinating feature . There are a few experimental demonstrations of consequences of vacuum fluctuations on static material structures, like the Lamb shift and the Casimir effect. When material systems evolve dynamically, a friction force is theoretically predicted, the so-called Dynamic Casimir Effect.
We have been investigating these phenomena as a possible cause of the second law of thermodynamics. Rotating pairs of atoms experience a torque from the zero-point electromagnetic field of the vacuum, calculated for identical as well as for dissimilar atoms . The material system exchanges angular momentum with the underlying vacuum.
This is reminiscent of the spin of the electron, which appears as intimately linked to the interaction of the particle with the vacuum fields: the zero-point electromagnetic field and Dirac field of electron-positron pairs. The goal of this internship is to calculate the dynamical effect of the Dirac sea on atomic collisions, by due consideration of the underlying dynamics of electrons and nuclei, protons to begin with.
Mots clés/Keywords
QED
Quantum vacuum, QED (Quantum Electrodynamics), Vacuum friction, Dissipation, atomic and subatomic collisions
Compétences/Skills
Théorie et calculs de QED
QED theory and calculation methods
Logiciels
Mathlab, Mathematica
L’irréversibilité est-elle une transition de phase en turbulence ?

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

05/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DUBRULLE Berengere
+33 1 69 08 72 47

Résumé/Summary
Le but de ce stage est d’essayer de prouver que l'irréversibilité observée en turbulence est une transition de phase. On effectuera des simulations numérique d'une équation modèle afin de caractériser cette transition, et de voir dans quel mesure elle permet d’expliquer l’anomalie de dissipation observée en turbulence.
Sujet détaillé/Full description
En 1845, James Prescott Joule montre expérimentalement que l'application d'une force de 1050 J sur une turbine mettant en mouvement une livre d'eau augmente la température du fluide d'un degré Fahrenheit. Ceci est une illustration d'un processus global se produisant dans la plupart des fluides, par lequel l'énergie mécanique (travail) est convertie en énergie thermique (chaleur), en accord avec la première loi de la thermodynamique régissant la variation de l'énergie totale du fluide dans un système fermé Δ
Stochasticité spontanée et singularités en turbulence

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DUBRULLE Berengere
+33 1 69 08 72 47

Résumé/Summary
Le but de ce stage est prouver l'existence de la stochasticité spontanée en utilisant une nouvelle expérience appelée GVK. Cette expérience a été spécialement conçue pour explorer la dynamique de particules et des mouvements turbulents, avec une résolution jamais atteinte jusqu’à présente. Dans ce stage, on effectuera des mesures expérimentales à l’aide de dispositif d’imagerie vélocimétrique, et on analysera les données pour mettre en évidence le phénomène, et ses liens possibles avec des quasi-singularités
Sujet détaillé/Full description
On sait depuis Lorentz que les mouvements des fluides, notamment l’atmosphère et l’océan est chaotique : dans l’espace des phases, deux points initialement proches, s’écartent exponentialement, permettant ainsi de produire le fameux effet papillon. Ce qu’on sait moins, c’est ces même fluides sont victime d’ un phénomène encore plus violent appelé « stochasticité spontané », au cours duquel deux points de l’espace physique se séparent algébriquement de façon indépendante de leur distance initiale. Les mathématiciens suspectent que ce phénomène, observé dans des simulations numériques, est crée par l’existence de singularités dans les équations du mouvement, brisant ainsi l’unicité des solutions. Par contre, il n’existe à ce jour aucune démonstration expérimentale de ce phénomène, ni de preuve de son lien avec des singularités ou quasi-singularités.

Le but de ce stage est de combler ces lacunes en utilisant une nouvelle expérience appelée GVK. Cette expérience a été spécialment conçue pour explorer la dynamique de particules et des mouvements turbulents, avec une résolution jamais atteinte jusqu’à présente. Dans ce stage, on effectuera des mesures expérimentales à l’aide de dispositif d’imagerie vélocimétrique, et on analysera les données pour mettre en évidence le phénomène, et ses liens possibles avec des quasi-singularités.

La quête des singularités dans les équations d’Euler ou de Navier-stokes représente un problème bien connu (cf. AMS Millenium Clay Prize), mais les récentes avancées, tant au niveau numérique qu’expérimental, remettent ce problème de nouveau d’actualité. En particulier, notre groupe a récemment mis en évidence, dans un écoulement turbulent de laboratoire, l'existence d'événements intenses de dissipation d'énergie non-visqueuse qui pourraient être associés aux singularités recherchées par les mathématiciens (Saw et al, Nature Communication 7, 12466 (2016)).


Le cœur de ce stage est expérimental, mais des développements théoriques sur la physique hors-équilibre via le formalisme multi-fractal et les ondelettes pourront être effectués. Ce stage sera encadré par B. Dubrulle (CNRS). Le sujet du est à l’interface entre la mécanique des fluides, les mathématiques et la physique statistique. Le stage requiert une solide formation de physicien, en particulier en physique statistique, ainsi qu’un goût prononcé pour l’expérimentation. Il pourra éventuellement déboucher sur une thèse sur une thématique voisine.
Images
Granular matter : Surface Flows
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Turbulence in Rotating Flows
Turbulence in Rotating Flows
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Biophysicists discover hidden order in bacterial collective motion
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Statistical physics in mechanics
Roughness exponents of fracture surfaces in packing of sintered glass beads.
Role of damage in the selection of the scaling properties of fracture surfaces: Experimental evidences and theoretical interpretation
Granular matter
Granular matter
Granular matter
Granular matter
Granular matter
Granular matter
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Magneto-Hydrodynamics and Dynamo effect
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Nonlinear Waves
Les feuilles tombent aussi en Amazonie !
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Expérience VKS2 : observation d\'une dynamo turbulente (De l\'origine du champ magnétique terrestre...)
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Quand le mélange chaotique se heurte à un mur
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Granular matter : Relaxation and response to a localized perturbation
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Granular matter : Glassy behaviour and dynamical heterogeneities
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Granular matter : Some applications of our research
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Universal behavior of the dynamics of slow crack growth
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Verres granulaires : un gigantesque jeu de tric trac collectif
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Experimental and numerical nanoscale investigation of damage and fracture processes in glass
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Subcritical Transition to Turbulence
Subcritical Transition to Turbulence
Subcritical Transition to Turbulence
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Physique statistique et systèmes complexes
APSC : Action Physique & Systèmes Complexes IRAMIS
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Brevet :  Ensemble de distribution d\'un matériau granulaire par gravité
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Let\'s Jam ! La criticalité de la transition de blocage des milieux désordonnés dévoilée
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Brevet : Procédé de fabrication d\'une couche d\'un matériau antiferromagnétique à structures magnétiques contrôlées. Process for fabricating a film of an antiferromagnetic material with controlled magnetic structures
Mise en mouvement collectif spontané
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Jusqu’\'où l’\'eau pénètre-t-elle dans la silice sous contrainte ?
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Croissance des corrélations dynamiques durant le viellissement d\'un verre
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Une dynamo localisée au laboratoire
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Comment un banc de poissons passe-t-il d\'un comportement collectif à l\'autre ?
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Breaking news ! Dans les matériaux désordonnés, la vitesse de fissuration modifie le mode de rupture
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Un état très turbulent et chaotique !
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Manger et ne pas être mangé : les deux impératifs à l\'origine du comportement critique des troupeaux de moutons
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Première mise en évidence de la transition vers l\'ordre amorphe dans les verres
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Découverte expérimentale  d’événements extrêmes dissipatifs de l\'énergie, à petite échelle dans un écoulement turbulent
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Comprendre la génération d\'un champ magnétique au cœur des étoiles et des planètes
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MAGENTA H2020 project
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Un papillon encore plus turbulent
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Nouveau type de matière active expliquant la formation d\'agrégats bactériens
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Conversion efficace d\'énergie thermoélectrique dans les ferrofluides
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La convection thermique stellaire reproduite en laboratoire
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Un papillon encore plus turbulent
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Suspension de nanoparticules magnétiques dans un liquide ionique pour la thermoélectricité : une question d\'interface Magnetic nanoparticles suspension in ionic liquid for thermoelectricity: It’s all about interface
Suspension de nanoparticules magnétiques dans un liquide ionique pour la thermoélectricité : une question d\'interface Magnetic nanoparticles suspension in ionic liquid for thermoelectricity: It’s all about interface

 

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