Recherche au LPMMC

La recherche actuelle au LPMMC porte sur une variété de phénomènes de la physique de la matière condensée moderne : la localisation d’Anderson et à N corps, la superfluidité et supraconductivité, les transitions de phase hors équilibre, la turbulence, la condensation de Bose-Einstein, la thermodynamique quantique, l’ordre topologique, et l’effet Hall quantique. Ces phénomènes se produisent dans une variété de systèmes physiques, par exemple, dans les gaz quantiques ultra froids, les cavités photoniques, le graphène, les semi-conducteurs, les supraconducteurs et les réseaux de jonction Josephson, les matériaux photoniques et phononiques désordonnés.

Malgré la grande variété de phénomènes et de systèmes physiques qui nous intéressent, notre recherche repose sur l’utilisation d’un ensemble commun d’outils théoriques et numériques. Elle vise le développement de la compréhension fondamentale des phénomènes classiques et quantiques en physique de la matière condensée ainsi que des applications aux nouvelles sources de lumière, l’interférométrie, les mesures de haute précision, l’information quantique et les technologies quantiques.

La recherche au LPMMC est structurée en quatre axes principaux :

Une brève description de chaque axe est fournie ci-dessous.


Physique quantique

Thermodynamique quantique. Ce thème est à l’intersection de la physique quantique et de la physique statistique hors équilibre, appliquée aux systèmes mésoscopiques. Nous étudions des systèmes quantiques complexes couplés à des réservoirs simples ou des systèmes quantiques simples couplés à des réservoirs complexes en utilisant un formalisme de « thermodynamique stochastique » développé pour des systèmes quantiques ouverts (markoviens et non-markoviens).

Moment angulaire du vide quantique. Un nouveau sujet totalement inexploré est la compréhension du moment angulaire du vide quantique, lors de l’interaction avec un objet quantique en rotation, éventuellement exposé à un champ magnétique dépendant du temps. Notre objectif est de calculer et d’observer (en collaboration avec des collègues du LNCMI) les forces d’Abraham classiques et quantiques apparaissant dans ce contexte.

Mécanique quantique des anyons. Les anyons sont des quasi-particules à mi-chemin entre les bosons et les fermions. Notre objectif est de dériver des modèles de type Hartree/Hartree-Fock d’anyons à partir de la mécanique quantique à N corps, en généralisant les méthodes mathématiques disponibles pour les bosons et les fermions. Une autre direction de recherche est l’étude de l’effet Hall quantique fractionnaire en tant que manifestation de la physique anyonique.

Corrélations quantiques dans les systèmes quantiques composites. Nous développons une approche géométrique pour caractériser et quantifier l’intrication et la discorde quantique dans les systèmes bipartites et appliquer cette approche pour étudier leurs évolutions temporelles dans des modèles spécifiques de matière condensée ainsi que dans les processus de mesures faibles. En particulier, nous voulons comprendre géométriquement pourquoi certains environnements produisent une décroissance rapide des corrélations quantiques alors que d’autres sont beaucoup moins préjudiciables et donc plus favorables aux applications technologiques quantiques.

Exemples de publications récentes :


Photon Hall Pinwheel Radiation of Angular Momentum by a Diffusing Magneto-Optical Medium, B. A. van Tiggelen and G. L. J. A. Rikken, Phys. Rev. Lett. 125, 133901 (2020)


Mixed-State Entanglement from Local Randomized Measurements, A. Elben, R. Kueng, H.-Y. Huang, R. van Bijnen, C. Kokail, M. Dalmonte, P. Calabrese, B. Kraus, J. Preskill, P. Zoller, and B. Vermersch, Phys. Rev. Lett. 125, 200501 (2020)


Physique statistique

Turbulence. Nous développons une approche théorique de la turbulence homogène et isotrope en utilisant le formalisme de groupe de renormalisation non perturbatif. En collaboration avec LEGI, nous étudions également la turbulence par simulations numériques directes de l’équation de Navier-Stokes.

Imagerie et transfert radiatif. Nous travaillons sur le cas tridimensionnel du transfert radiatif en développant la solution par rapport à l’ordre de diffusion et en appliquant les résultats à des problèmes d’imagerie en optique, acoustique et sciences de la Terre. Nous étudions également le rôle des ondes longitudinales dans le transfert radiatif des ondes électromagnétiques.

Excitons-polaritons. Nous poursuivons des études théoriques sur les excitons-polaritons en explorant de nouvelles géométries, comme le réseau en nid d’abeille. Nous étudions également les signatures de la nature intrinsèquement hors-équilibre dans les gaz de polaritons, et la correspondance avec l’équation de Kardar-Parisi-Zhang.

Approche de la théorie de l’information des systèmes désordonnés. Nous travaillons au développement d’une approche de la théorie de l’information pour comprendre la diffusion des ondes dans les milieux désordonnés. L’utilisation de concepts tels que l’entropie et la capacité d’information est mise en avant à la place des propriétés de transport plus traditionnelles (transmittance, conductance, etc.).

Théorie des matrices aléatoires euclidiennes. Des matrices aléatoires avec des éléments définis via des fonctions de positions dans un espace euclidien sont utilisées pour modéliser la physique des ondes dans des milieux désordonnés. Nous développons des approches analytiques pour étudier les propriétés statistiques des valeurs propres et des vecteurs propres de telles matrices et les appliquons pour étudier la propagation des ondes dans des environnements désordonnés.

Exemples de publications récentes :


Analysis of the dissipative range of the energy spectrum in grid turbulence and in direct numerical simulations, A. Gorbunova, G. Balarac, M. Bourgoin, L. Canet, N. Mordant, and V. Rossetto, Phys. Rev. Fluids 5, 044604 (2020)


Galilean boosts and superfluidity of resonantly driven polariton fluids in the presence of an incoherent reservoir, I. Amelio, A. Minguzzi, M. Richard, I. Carusotto, Phys. Rev. Research 2, 023158 (2020)


Physique à N corps

Liquides quantiques. Nous développons des méthodes de calcul précis des états fondamentaux et des propriétés spectrales des liquides quantiques, principalement basées sur l’approche « Monte Carlo Quantique ». Les applications vont de la description de métaux simples et de semi-conducteurs à l’hydrogène liquide et solide à haute pression.

Atomes fermioniques ultra-froids. Nous étudions la réponse des fermions en interaction sur un anneau, à la fois dans le cas de fermions attractifs à deux composants, pour étudier le crossover BEC-BCS en une dimension, et pour le cas SU(N). Nous développons également de nouveaux schémas théoriques et des outils numériques innovants pour traiter les propriétés dynamiques des fermions SU(N) en interaction forte et calculer les états propres des aimants quantiques SU(N).

Solitons quantiques. Les bosons avec des interactions attractives donnent naissance à l’analogue quantique des solitons brillants. Nous explorons leurs propriétés physiques et leurs applications à l’interférométrie atomique pour le développement de capteurs de rotation au-delà de la limite quantique standard.

Dérivation mathématique du modèle de Bose-Hubbard. Nous étudions la limite de champ moyen pour de nombreux bosons dans un potentiel de double puits. Nous visons à dériver rigoureusement un hamiltonien à deux modes de Bose-Hubbard dans un régime de grand remplissage des puits.

Effet Hall quantique fractionnaire. Nous développons une théorie des champs des paires d’électrons pour l’effet Hall quantique fractionnaire (FQHE). Nous développons un concept phénoménologique des fermions composites et visons à comprendre le FQHE comme un effet Hall quantique intégral pour les particules composites à faible interaction.

Exemples de publications récentes :


Chern bands of twisted bilayer graphene : Fractional Chern insulators and spin phase transition, C. Repellin and T. Senthil, Phys. Rev. Research 2, 023238 (2020)


Haldane Gap of the Three-Box Symmetric SU(3) Chain, S. Gozel, P. Nataf, and F. Mila, Phys. Rev. Lett. 125, 057202 (2020)


Physique mésoscopique

Localisation d’Anderson. Nous explorons le rôle des ondes électromagnétiques longitudinales et la possibilité d’atteindre la localisation d’Anderson de la lumière dans des milieux 3D désordonnés. Nous étudions également l’interaction entre le désordre et la topologie dans les systèmes photoniques topologiquement non triviaux avec désordre.

Effet Hall quantique et phénomènes associés. Nous développons des méthodes d’espace de phase dépendant du temps pour l’effet Hall quantique entier (QHE) et explorons les phases exotiques dans les systèmes lumière-matière dans le régime QHE. Nous étudions également les conditions d’apparition de la phase superradiante de Dicke en électrodynamique quantique de Hall à cavité.

Transfert de chaleur sans contact dans les nanostructures. Le transfert de chaleur entre deux objets métalliques isolés électriquement peut se faire par échange de photons. Nous étudions ce phénomène à l’échelle nanométrique et explorons ses implications pour la conception de nano-dispositifs thermiques et thermoélectriques dont le fonctionnement peut être altéré par la fuite de chaleur.

Etude par Monte Carlo Quantique de la transition supraconducteur-isolant dans les chaînes de jonction Josephson. Le diagramme de phase des chaînes de jonction Josephson est exploré dans une large gamme de paramètres. Les résultats sont appliqués pour interpréter des expériences sur des chaînes avec des paramètres bien contrôlés (l’énergie Josephson, la capacité de jonction, la capacité îlot-terre).

Exemples de publications récentes :


Photonic-Crystal Josephson Traveling-Wave Parametric Amplifier, L. Planat, A. Ranadive, R. Dassonneville, J. Puertas Martínez, S. Léger, C. Naud, O. Buisson, W. Hasch-Guichard, D.M. Basko, and N. Roch Phys. Rev. X 10, 021021 (2020)


Localization of light in a three-dimensional disordered crystal of atoms, S.E. Skipetrov, Phys. Rev. B 102, 134206 (2020)