ED PIF : Journée des doctorants 2016 / 2016 PhD students day : Abstracts

Erwan ALLYS (IAP) : Symétries et cosmologie

Despite the fact that they have not yet been observed in astrophysical and cosmological observations, topological defects still are an unavoidable consequence of most of our high energy physical models. Thus, we must understand why we don't see them, what consequences this non-observation has on high energy physics, and if it will be possible to observe them in the future.

To introduce the subject, we will quickly discuss the concept of (local) symmetry in particle physics. It will permit to introduce in a very general way the Grand Unified theories, which describe the particle physics at high energy, and to understand how these theories reduce to the standard model of particle physics at lower energy, due to the phenomena of spontaneous symmetry breaking. We will then discuss the different kinds of topological defects, and their formation and consequences in a cosmological context, focusing on the cosmic strings. During the whole talk we will try to keep an elementary mathematical formalism and to focus on the underlying physical concepts.

Jérémy BRUN-PICARD (LPN/LNE) : Métrologie

La future révision du SI aura un fort impact sur les unités électriques. Une des conséquences majeures sera de fixer les valeurs numériques de certaines constantes fondamentales de la nature, comme la charge de l'électron e et la constante de Planck h. Par conséquent les constantes de von Klitzing (RK=h/e^2) et de Josephson (KJ=2e/h) le seront aussi et leur incertitudes seront alors nulles. Les étalons quantiques électriques basés sur l'effet Josephson, pour l'étalon de la tension, et l'effet Hall quantique, pour l'étalon de la résistance, deviendront les réalisations directes de ces unités diminuant alors fortement les incertitudes. Pour l'unité de base qu'est l'ampère, l'enjeu est tout aussi important, pour l'instant réalisé à partir de la force d'Ampère, l'ampère deviendra directement relié à la charge de l'électron e. Sa réalisation directe pourrait être les pompes à électrons ou alors à travers la loi d'Ohm, grâce aux étalons quantiques. Dans les deux cas, le courant serait proportionnel à la charge de l'électron multiplié par une fréquence.

Nous avons fait des mesures dans une grande barre de Hall (100 µm x 420 µm) en graphène de haute qualité, réalisé par une technique de CVD sur SiC à partir de propane/hydrogène. Cette barre de Hall présente toutes les qualités d'un étalon de résistance primaire, surpassant même le GaAs/AlGaAs (l'actuel étalon primaire fonctionnant à 10T, 1.3K et 40µA) grâce à des conditions d'utilisation nettement plus flexibles. En effet, dans le graphène, une parfaite quantification de la résistance de Hall RH avec une précision meilleure que 10-9 est obtenue sur une gamme de champ magnétique de 3.5T à 14T, des températures allant jusqu'à 10K et des courants aussi élevés que 0.5mA. Des mesures de très hautes précisions pour tester l'universalité de l'effet Hall quantique, entre l'hétérostructure de GaAs/AlGaAs et le graphène, ont démontré un accord parfait à 8,2x10^-11 [2] prouvant que la valeur de la résistance de Hall est bien identique et parfaitement égale à h/2e^2 dans ces deux matériaux ou la physique est différente.

Cette facilité de mise en #uvre de l'étalon va également bénéficier à l'ampère. En réalisant la loi d'ohm avec les étalons quantiques du volt et de la résistance, on a réussi à générer du courant de 10nA jusqu'à 5mA. La quantification du courant à été vérifiée en mesurant la chute de tension provoquée par le passage du courant dans une résistance de 100 ohm, qui est comparé à la tension d'un second réseau Josephson. Cette comparaison a permis de démontrer que le courant généré dans la gamme du mA était quantifié avec une incertitude relative de mesure de 10^-8. Le courant généré a également permis d'étalonner un ampèremètre dans des gammes de courant allant de 10nA jusqu'à 10mA.

Pascal DELANGE (CPHT) : Corrélations électroniques

Computing the electronic band structure of materials from first principles, in a precise and computationally inexpensive way is a longstanding goal of condensed matter theory. Density functional theory (DFT) in its various forms has become the starting point of a majority of band structure calculations due to its wide applicability and its computational performance. However, it is known to suffer, among others, from the infamous semi-conducting band gap problem, according to which DFT systematically produces wrong conduction band positions in insulators. Even worse, a whole class of materials, such as transition metal or rare-earth oxides, that have become important for technological applications, cannot be reliably treated in the electronic band picture due to strong electronic repulsion on 3d or 4f orbitals. We present a way to bridge the gap between the band structure description of solids and local many-body physics, and show some examples for transition metals.

Olcyr de LIMA SUMENSARI (LPT-Orsay) : Origne de la saveur

Lepton flavor is an accidental symmetry of the Standard Model (SM) which is broken, since neutrinos are massive and oscillate between different flavors. Nonetheless, the smallness of neutrino masses ensures that all decays with lepton flavor violation (LFV) remain highly suppressed and basically not observable. These processes are therefore very clean probes of physics beyond the Standard Model (BSM). After an introduction to the SM and our main motivations to invoke physics BSM, I will discuss the role of LFV searches in the quest for New Physics. Finally, I will briefly comment on some anomalies recently observed at LHCb and the possible connection with LFV.

Quentin FELTGEN (LPS-ENS): Invasions lexicales

Le changement linguistique présente une phénoménologie riche et diverse, mais si touffue qu'il est parfois difficile d'en démêler les spécificités, les mécanismes, et les régularités. Dans cette intervention, nous nous proposons de considérer le changement linguistique comme une dynamique générale sur des populations de mots en compétition pour l'occupation du territoire sémantique. Cette approche nous permet en fait de modéliser les processus cognitifs à l'#uvre dans la production et l'interprétation du langage, le territoire sémantique en question reflétant l'architecture conceptuelle de l'individu, et les populations, les souvenirs d'expériences linguistiques qu'il garde en mémoire. Un modèle mathématique permet alors de relier les actions langagières individuelles aux mutations de l'entité-langue elle-même, et d'éclairer ainsi sous un jour nouveau la phénoménologie autrement obscure du changement linguistique.

Christophe GARDELLA (LPS-ENS) : Population de la rétine

A major challenge in neuroscience is to characterize how networks of neurons process sensory information. Synergistic or redundant dependencies between neurons play a major role in the neural code, but how to best characterize and model them is a matter of debate. In particular, it is unclear how this structure affects the ability of the retina to discriminate complex stimuli.

To address this question, we design a method to quantify the sensitivity of a large population of retinal ganglion cells responding to a randomly moving bar, and recorded with a multi-electrode array. We analyze how responses to a reference stimulus differ from responses to small stimulus perturbations. We perform closed-loop experiments to explore selectively the space of perturbations, and search for the minimum amplitude necessary to discriminate a perturbation from the responses it triggers.

Our analysis provides a new insight into how large populations of neurons can discriminate small stimulus perturbations.

Emilie GONTRAN (IMNC) : Les tumeurs du cerveau

Classical in vitro methods for studying cell behavior, mainly two-dimensional (2D) cell cultures on Petri dishes, suffer from many biases (simple dimensionality, absence of biochemical gradients, rigidity...). But in vivo studies involve very complex systems and do not allow separating the role of each component. Bioengineering inspired from both approaches (2D in vitro and in vivo) represents a good compromise to deal with biased reductionism of 2D methods and complexity of three-dimensional (3D) in vivo. Among bioengineered systems, synthetic hydrogels are good minimalistic models to mimic 3D extracellular matrix (ECM) in vitro. They allow affordable tuning of their structural and functional features thanks to their easily adjustable composition. In the context of tumor progression, brain tumors such as gliomas suffer from very bad diagnosis. Hydrogels versatility represents an interesting way of reproducing essential characteristics of brain tissue in order to understand gliomas development and their invasion mechanisms (i.e. proliferation and migration of tumor cells).

To do so, we manufactured an original polyethylene glycol polymer (PEG)-based hydrogel grafted with poly-L-lysine (polyaminoacid to promote cell adhesion) moieties in order to:
i) Validate this substrate as an artificial biocompatible 3D ECM
ii) Follow the growth (proliferation, migration) of a population of the F98 rat glioma cell line in this minimalistic tissue-like structure

We observed a strong dependence of hydrogels physicochemical properties with PEG length (6 vs 20 kDa) and its concentration (exploring rigidities with physiological relevance: 100 Pa to 3 kPa). Hydrogels with smaller PEG macromolecules exhibit a densely packed polymeric network with strengthened mechanical properties. We examined a potential influence of hydrogel properties on the organization and growth rate of the F98 glioma cell line. We show that cells have rounded shape and organize as aggregates for which size varies as a function of hydrogel composition: the higher is the hydrogel density, the smaller is the size of cell aggregates. Our data clearly give an insight on how dimensionality and spatial constraints within the hydrogel's architecture drives a particular tumor phenotype. Correlation with in vivo characteristics would be further investigated.

Maxime HARAZI (ESPCI) : Retourement temporel et grains

In a non-dissipative medium, the wave equation is symmetric in time. Therefore for every wave diverging from a pulsed source, there exists in theory a wave, the time-reversed wave, that precisely retraces all its original paths in a reverse order and converges in synchrony at the original source as if time were going backwards.

In the early nineties, M. Fink proposed an original method for generating such a time-reversed wave from a surface named a Time Reversal Mirror (TRM) [1]. This method was first tested with ultrasound and then successfully extended to other types of waves such as microwaves, water waves, and even in optics. It has led to numerous applications including seismic source imaging [2]. Several studies have shown that time reversal wave focusing is very robust to disorder [3], including situations where perturbations occur between forward and back propagation steps [4,5].

Here we investigate time reversal (TR) of elastic waves propagating in fragile granular media consisting of glass beads under static compression. Pulsed elastic waves transmitted from a compression or a shear wave source are measured by a TRM, time reversed and back-propagated. The ability of the time-reversed wave to focus at the initial source is checked as a function of the source amplitude. We find that TR of the ballistic coherent wave is very robust to perturbations but provides poor resolution. By contrast, the short-wavelength scattered waves offer a finer TR focusing but are sensitive to rearrangements induced by the forward propagation wave itself: at large source amplitudes, time reversal focusing is broken. Experimental results are confronted with predictions from a numerical model in which the propagation medium is modeled by a percolating network of spherical masses interacting via linear springs.

[1] M. Fink, Physics Today 50 (3), 34 (1997)
[2] C. Larmat, J. Montagner, M. Fink, Y. Capdeville, A. Tourin, E. Clévéde, Geophys. Res. Lett. 33, L19312 (2006)
[3] A. Derode, P. Roux, and M. Fink, Phys. Rev. Lett. 75, 4206 (1995)
[4] R.K. Snieder and J.A. Scales, Phys. Rev. E 58, 5668 (1998)
[5] A Tourin, A. Derode, and M. Fink, Phys. Rev. Lett. 87, 274301 (2001)

Lama KHALIL (SOLEIL) : Isolant DF

Three-dimensional topological insulators (3D TIs) constitute a promising state of quantum matter for a new generation of electronic devices. Various studies have anticipated that multilayer structures, composed of a stack of constituent 2D building blocks, could be used to acquire artificial TIs with novel characteristics. This suggests that a modification of the surface states may be experimentally realizable in the natural topological superlattice diantimony-tellurium Sb2Te, made of Sb2 bilayers and Sb2Te3 quintuple layers [1], having three distinct surface terminations which play a key role.

I will present the experimental results of a scanning photoemission microscopic study (SPEM) on Sb2Te that clearly show a correlation between the microscopic scale of the surface termination and the topology of the electronic surface states. The measurements were carried out on Spectromicroscopy beamline at Elettra synchrotron with a photon energy of 74 eV, which allowed us to analyze simultaneously the core levels (Sb 4d and Te 4d) and the valence band structure using ARPES with a microscopic scale. In addition, I will present a time-resolved ARPES study showing the out-of-equilibrium electronic states and bands of the system (see figure b.).

[1] Agafonov, V. et al. Structure of Sb2Te. Acta Cryst. C47, 1141-1143 (1991).

Mehdi LANGLOIS (SYRTE) : Gradiomètre de gravité

I will present the on-going status of a ground-based project which aims at measuring the Earth gravity gradient with unprecedented sensitivity using atom interferometry techniques. For that, I am developing a new experimental setup, where we will drive two simultaneous atom interferometers on spatially separated sample of atoms. The differential measurement will allow for a precise determination of the difference of the gravity acceleration between the two sources, while rejecting common-mode parasitic vibrations. To boost the sensitivity, we will use large momentum transfer beam-splitters and ultracold atoms. I will describe the design of the instrument, the high power laser system I have developed for the manipulation of the atomic wave-packets, and our efforts for developing optimized atom chips for the efficient production of ultra-cold atoms.

Hugo PERRIN (PMMH) : Ligne de contact

The contact angle of a liquid drop moving on a real solid surface depends on the speed and direction of motion of the three-phase contact line. Many experiments have demonstrated that pinning on surface defects, thermal activation and viscous dissipation impact contact line dynamics, but so far efforts have failed to disentangle the role of each of these dissipation channels. Here, we propose a unifying multi-scale approach that provides a single quantitative framework. We use this approach to successfully account for the dynamics measured in a classic dip-coating experiment performed over a unprecedentedly wide range of velocity. We show that the full contact line dynamics up to the liquid film entrainment threshold can be parametrized by the size, amplitude and density of nanometer-scale defects. This leads us to reinterpret the contact angle hysteresis as a dynamical cross-over rather than a depinning transition.

Vincent TRAUCHESSEC (SPEC): Activité neuronale

L'étude de l'activité cérébrale nécessite des enregistrements simultanés à différentes échelles spatiales, allant d'une cellule unique aux aires corticales du cerveau. L'activité électrique des neurones est actuellement étudiée par des techniques d'électrophysiologie. Ces mesures donnent accès aux variations locales du potentiel via des techniques plus ou moins invasives. Il n'existe actuellement pas d'outils de mesures des champs magnétiques engendrés par les mouvements ioniques au sein du réseau neuronal. La magnéto-encéphalographie (MEG) utilise des SQUIDs (Superconducting QUantum Interference Devices) fonctionnant à très basse température, placés en surface du crâne, qui fournissent une cartographie des champs neuromagnétiques mais dont la résolution spatiale est limitée du fait de la distance séparant les capteurs des cellules actives. La première partie de ce travail de thèse propose de développer des capteurs magnétiques à la fois suffisamment sensibles pour être capable de détecter le champ magnétique extrêmement faible générés par les courants neuronaux (de l'ordre de 10-9 T), et dont la géométrie est adaptable aux dimensions des cellules tout en fonctionnant à température ambiante. Les capteurs développés, basés sur l'effet quantique de magnétorésistance géante (GMR), permettent d'atteindre des détectivités de l'ordre de quelques centaines de picoTesla à 1kHz. Ils sont suffisamment miniaturisables pour être déposés à l'extrémité de sondes d'une finesse de l'ordre de 100µm. Un premier enregistrement in-vivo dans le cortex visuel du chat a mis en évidence les premières traces magnétiques des réponses corticales induites. Des expériences in-vitro réalisées sur le muscle soléaire de souris ont également permis de mesurer la première signature magnétique de la propagation d'un potentiel d'action, signal de base transportant l'information au sein du système nerveux.

La deuxième partie de cette thèse a pour objectif de stimuler une population de neurones via un champ magnétique. Si la stimulation électrique est aujourd'hui largement utilisée pour le traitement de maladies neurodégénératives, elle présente plusieurs inconvénients (faible contrôle des champs électriques, inflammation des tissus, rejet de l'électrode par la cellule). La stimulation magnétique s'affranchit de ces effets mais n'a été mise en #uvre qu'à l'échelle cérébrale, par la stimulation transcrânienne (TMS). L'objectif est de réaliser des micro-inducteurs capables de générer un champ électromagnétique suffisamment important pour induire une réponse des neurones ciblés. Une première expérience de stimulation in-vitro sur tranches d'hippocampe de souris a été mise en place en collaboration avec le groupe UNIC (Unité de Neurosciences, Information, Complexité) du CNRS.

Jean-Loup VILLE (LKB) : Gaz de Bose 2D

The first realization of a Bose-Einstein condensate in a uniform potential has opened new perspectives in the field of ultracold atoms.

I will present our new experimental setup designed to study the dynamics of rubidium atoms in low dimensionnality. This setup has been improved in two ways: the vertical confinement is realized by an optical accordion which allows for a new type of compression and the horizontal confinement is made by a Digital Micromirrors Device (DMD) combined with a high numerical aperture microscope objective. We are thus able to create flat-bottom potentials with arbitrary shapes on a two-dimensional gas.

This setup allows us to study more precisely the Kibble-Zurek mechanism and to study multiple scattering on a very tunable system.

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