Département de Physique de l'Ecole Normale supérieure

Hamiltonian Theory of Fractional Chern Bands

2013-05-23T11:30:00Z

Jeudi 23 mai 2013

It has been known for some time that a system with a filled band will have an integer quantum Hall conductance equal to its Chern number, a toplogical index associated with the band. While this is true for a system in a magnetic field with filled Landau Levels, even a system in zero external field can exhibit the QHE if its band has a Chern number. I review this issue and discuss a more recent question of whether a partially filled Chern band can exhibit the Fractional QHE. I describe the work done with Ganpathy Murthy in which we show how composite fermions, which were so useful in explaining the usual FQHE, can be introduced here and with equal success by adapting our Hamiltonian Theory of CFs developed for the FQHE in the continuum.

13h30 - Conf IV
24 rue Lhomond, Paris
Contact : benjamin.huard@ens.fr, aleksandra.walczak@ens.fr
http://www.phys.ens.fr/

TRANSITION DE FUSION DES DISQUES DURS : LA SOLUTION D'UNE ENIGME CINQUANTENAIRE

2013-05-17T15:20:22Z

Depuis cinquante ans, la question fait rage de savoir comment se passe la transition de fusion dans les systèmes bidimensionnels de disques durs : est-ce comme en trois dimensions, par une transition abrupte (de premier ordre), ou par un mécanisme de type Kosterlitz-Thouless, avec des changements continus entre le liquide et un état dit "hexatique" puis entre l'hexatique et le solide ? Etienne P. Bernard et Werner Krauth ont montré avec un nouvel algorithme de simulation que la transition de fusion ne suit aucun des deux scénarios si longtemps étudiés : elle procède bien par l'intermédiaire d'une phase hexatique, mais la transition liquide-hexatique est, elle, du premier ordre, tandis que la transition hexatique-solide est continue.

Le modèle des disques durs joue un rôle fondamental en physique statistique. Introduit par D. Bernoulli, en 1738, et constitué simplement de disques impénétrables d'un même diamètre remplissant une fraction finie de l'espace bidimensionnel, il a été étudié par des grands physiciens, tel Boltzmann. Dès 1962, des simulations numériques d'Alder et Wainwright montraient, à la surprise générale, que des disques durs subissaient une transition de phase entre un liquide (à basse densité) et un solide bidimensionnel (à haute densité), même si à deux dimensions, il ne pouvait pas exister d'état cristallin. Pendant cinquante ans, la question a fait rage de savoir comment exactement se passait la transition de fusion dans ce système fondateur : était-ce simplement, comme en trois dimensions, par une transition abrupte (de premier ordre), ou par un mécanisme typiquement bidimensionnel de type Kosterlitz-Thouless, avec des changements continus entre le liquide et un état dit "hexatique" puis entre l'hexatique et le solide ? Des centaines d'articles ont été écrits, mais les chercheurs n'arrivaient pas à se mettre d'accord sur l'un ou l'autre des scénarii ...

En 2011, Etienne P. Bernard et Werner Krauth, du Laboratoire de physique statistique (ENS-CNRS-UPMC) ont montré (avec un nouvel algorithme de simulation) que ce vénérable modèle cachait en fait un grand secret :

sa transition de fusion ne suivait aucun des deux scénarios si longtemps étudiés : la fusion des disques durs procède bien par l'intermédiaire d'une phase hexatique, mais la transition liquide-hexatique est, elle, du premier ordre, tandis que la transition hexatique-solide est continue. Avant d'accepter cette solution-surprise, encore fallait-il la tester de manière indépendante. C'est maintenant chose faite, avec une collaboration associant des chercheurs sur trois continents, (Université du Michigan, MIT, Nagoya Institute of Technology, Japon, ENS). Utilisant trois méthodes totalement indépendantes (dont l'algorithme de Metropolis massivement parallèle sur cartes graphiques, et un algorithme ultra-rapide de dynamique moléculaire), la collaboration a pu confirmer l'ensemble des résultat de 2011. Avec ce résultat fondamental et sa confirmation claire, nous comprenons enfin la fusion du système bidimensionnel le plus simple, et tenons en main une clé pour la compréhension de la transition de fusion dans des films, des couches minces, et aux interfaces.

Article original (de 2011) : E. P. Bernard, W. Krauth "First-order liquid-hexatic transition in hard disks" Physical Review Letters 107, 155704 (2011)

M. Engel, J. A. Anderson, S. C. Glotzer, M. Isobe, E. P. Bernard, W. Krauth « Hard-disk equation of state : First-order liquid-hexatic transition in two dimensions with three simulation methods » Phys. Rev. E 87, 042134 (2013)

Contact chercheur : Werner KRAUTH +33 6 76 32 10 61 werner.krauth@ens.fr

Page web : http://www.lps.ens.fr/ krauth/ (contient des articles sur cette question).

: équation d'état (Pression/densité) suivant les trois méthodes de simulation utilisées (ECMC : Event-chain Monte Carlo - ENS/France ; MPMC - Massively parallel Monte Carlo - Michigan/USA ; EDMC : Event-driven molecular dynamics - Nagoya/Japon).

Mean-field electrodynamics its glorious past and uncertain future

2013-05-16T11:30:00Z

Jeudi 16 mai 2013

Mean-field electrodynamics was conceived as a model of dynamo action on large scales due to small scale velocity fields. The model equations for the mean field, which can give growing solutions in axisymmetric geometries (thus circumventing Cowling's Theorem), have led to a very large number of analytical and numerical studies, and have produced plausible descriptions of the solar magnetic cycle. The underlying theory is undoubtedly correct in some parameter ranges but problems arise when there is the possibility of dynamo action on the smallest scales. In addition there are difficulties in extending the models into the nonlinear regime, where Lorentz forces affect the flow. I will review the history of the model, investigate its theoretical underpinning and will discuss the implications of recent work.

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QUANTUM FINITE NON-EQUILIBRIUM THERMODYNAMICS

2013-04-25T11:30:00Z

Jeudi 25 avril 2013

The laws of thermodynamics need to be generalized to the finite, quantum, non-equilibrium domain. It is by no means clear how to achieve this. In particular, how exactly are we to phrase the concepts of heat, work and entropy in the most general context ? I plan to review some of the most relevant approaches and then, based on this, argue that :
a) the usual entropies (due to Shannon and von Neumann, classically and quantum respectively) are not sufficient to discuss state transformations (we need a more general concept of “majorisation”) ;
b) the relationship between information and work requires us to use more generalized (Renyi) entropies ;
c) work is, in the quantum setting, not represented by an operator ;
d) any conclusions are highly sensitive to how we define the “rules of the game” ;
e) how do we include finite time transformations ?

These are just some of the issues we need to face, but there may be others en route to formulating the most general theory of thermodynamics. This is, of course, not only of pure academic interest, but is becoming of practical importance though our advances in nano and quantum technologies. If time permits, I will draw parallels between how we understand entanglement through local operation and how we formulate thermodynamical entropy.

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Formation à la programmation scientifique sous Python pour les professeurs de CPGE

2013-04-24T12:52:50Z

Les départements de physique et d'informatique de l'ENS ont organisé les 15 et 16 avril derniers un stage de formation à la programmation scientifique sous Python à destination des professeurs des classes préparatoires scientifiques (CPGE). Le langage Python, très utilisé à l'ENS, pour la recherche comme pour l'enseignement de la physique numérique, vient d'être introduit dans les nouveaux programmes de CPGE qui prendront effet à la rentrée 2013, ce qui a motivé l'organisation de cette formation. Plus de 200 demandes d'inscription ont été enregistrées, 70 participants ont pu être accueillis.

Les enseignants, Emmanuelle Gouillart de Saint-Gobain Recherche, Gaël Varoquaux de l'INRIA, Emmanuel Dormy et Werner Krauth du Département de Physique, et Damien Vergnaud du département d'informatique, ont présenté l'installation du langage Python pour les divers systèmes d'exploitation, les éléments essentiels du langage et son application à différents domaines scientifiques. De jeunes doctorants et post-doctorants des départements de physique et d'informatique ont aidé les participants à mettre en oeuvre en temps réel sur leurs ordinateurs portables les exemples proposés.

Le support en ligne mis en place pour cette formation est disponible à l'adresse : http://python-prepa.github.io/ Il permet de s'initier et de se familiariser au langage Python et fournit de nombreux exemples concrets d'utilisation.

EINSTEIN'S PHOTON AND BOHR'S ATOM REVISITED IN CAVITY QUANTUM ELECTRODYNAMICS

2013-04-18T11:30:00Z

Jeudi 18 avril 2013

This year, Bohr's model of the Hydrogen atom is 100 years old. Height years after Einstein showed that light is quantized and introduced the concept of photons, the young Danish physicist announced in 1913 that matter too could be described by quanta. He postulated that, in the Hydrogen atom, only a set of orbits is allowed, corresponding to discrete energies and radiuses. He added that emission and absorption of light by the atom occurs by quantum jumps between these discrete orbits. These jumps, occurring at random times, are correlated with the appearance or disappearance of light quanta whose very existence was predicted by Einstein.

Since then, quantum theory has gained considerable precision and complexity, but remarkably, these century-old concepts remain valid. The experiments of cavity quantum electrodynamics we perform at Laboratoire Kastler-Brossel on circular Rydberg atoms, which interact with photons trapped in superconducting cavities, illustrate straightforwardly the ideas of Bohr and Einstein. The atoms we use are ruled by Bohr's model and the photons, which we detect without demolishing them thanks to these atoms, behave like the photons Einstein thought of trapping and counting in a box. These studies can hence be considered as the realization of some thought experiments that these founding fathers of quantum theory had envisioned, yet believing they would forever stay virtual. I will describe these experiments enabling the control and manipulation of photons by atoms by showing how they illustrate the principles of quantum physics and could someday lead to interesting applications for quantum information processing.

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Cours : Des cages de lumière pour les atomes : la physique des pièges et des réseaux optiques

2013-04-15T15:31:51Z

Grâce à la lumière issue de faisceaux lasers, il est possible de créer des « paysages de potentiel » qui permettent de contrôler le mouvement d'atomes préalablement refroidis. Les atomes peuvent rester confinés dans ces cages de lumière pendant de longues durées et leur dynamique y prend des formes très variées, en fonction de la nature du paysage réalisé. Après avoir présenté les principes de base qui régissent le contrôle du mouvement atomique par la lumière, nous nous intéresserons plus particulièrement aux réseaux optiques, c'est-à-dire aux potentiels périodiques créés par une ou plusieurs ondes lumineuses stationnaires.

Le mouvement d'atomes dans un réseau optique présente une analogie profonde avec celui d'électrons dans un cristal ; nous montrerons donc comment lui appliquer les concepts issus de la physique des solides, théorème de Bloch, bandes d'énergies, modèles des liaisons faibles et fortes, etc. Nous discuterons ensuite certaines applications remarquables des réseaux optiques, comme le phénomène de localisation dynamique et les oscillations de Bloch. Nous terminerons le cours de cette année avec quelques illustrations du lien entre phases quantiques, géométrie et topologie dans ces réseaux.

Cours les vendredis à 9h30.
Séminaire les vendredis à 11h30.
Amphithéâtre Maurice Halbwachs. Ouverture le 17 mai 2013.

First cosmological results from the Planck satellite

2013-04-11T11:30:00Z

Jeudi 11 avril 2013

Sketched out in 1992, selected by ESA in 1996, launched in 2009, Planck will have delivered on March 21st its first full sky maps of the millimetric emission at 9 frequencies, as well as those which follow from them, and in particular Planck map of the anisotropies of the Cosmic Microwave Background (CMB). The later displays minuscule variations as a function of the observing direction of the temperature of the fossile radiation around its mean temperature of 2.725K. I will briefly describe how these high resolution maps with a precision of a few parts in a million have been obtained, from collection to analysis of the first 500 billion samples of our HFI instrument.

CMB anisotropies reveal the imprint of the primordial fluctuations which initiate the growth of the large scale structures of the Universe, as transformed by their evolution, in particular during the first 370 000 years, i.e. till the Universe became transparent and the forming of the image we record today. The statistical characteristics of these anisotropies allow constraining jointly the physics of the creation of the primordial fluctuations and that of their evolution. They teach us the possible value of the parameters of the models which we confront to data. I will describe Planck estimates of the density of the constituents of the Universe (usual matter, cold dark matter or CDM, dark energy...), and their implication in terms of derived quantities like the expansion rate or the spatial curvature. I will review what we learnt on the generation of the fluctuation, and wil discuss extensions of the standard cosmological model, so called "Lambda-CDM", both in term of non minimal physical models — multi-field inflation for instance, or additional constituents - like cosmic strings or a fourth neutrino.

Finally, I will briefly describe other promising results on the matter distribution which is travelled through by the CMB image on its long 13.7 billion years trip towards us. I will mention in particular what we can learn on the dark matter distribution - which is detected through its distorting effet of the CMB image by gravitationnal lensing, or that of hot gaz, which is revealed by the spectral distortion it induces.

This seminar will be introduced by Professor Viatcheslav Mukhanov who will put these results in perspective.

13h30 - Room 236 - 2nd floor
29 rue d'Ulm, Paris
Contact : benjamin.huard@ens.fr, aleksandra.walczak@ens.fr
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Conférence exceptionnelle de Lev Pitaevskii

2013-04-08T16:02:41Z

"First and second sound in Fermi gas at unitarity". Lev Pitaevskii - Department of Physics, University of Trento - and CNR-INO BEC Center, Trento, Italy

Recent achievements of experimental technique have permitted to create fluids with odd properties – ultracold Fermi gases near the Feshbach resonance in magnetic field. These gases are dilute and interaction between their atoms is defined by a single parameter – the scattering length. At some values of the magnetic field this length becomes infinite. One obtains a universal fluid – a unitary Fermy gas, a system with strong interaction, whose properties do not depend on any parameters.

Experiments with ultracold gases are typically performed in elongated traps. If the viscosity and thermal conductivity are large enough, one can reformulate the Landau two-fluid hydrodynamics as a system of 1D equations. The equations have been applied to the description of the first and second sound oscillations at unitary Fermi gas.

Two types of experiments with the unitary Fermi gas were performed in Prof. Grimm's group at Innsbruck. Discrete modes of first sound were observed and frequencies coincide with the theoretical predictions with good accuracy (data on the equation of state from MIT group were used). Propagation of the second sound pulse was also observed and the temperature dependency of the superfluid density was defined.

Séminaire exceptionnel du Département de physique
Ecole normale supérieure - 24 rue Lhomond, 75005 Paris.
Mercredi 10 avril, 2013
14h30 Salle de conférences IV (E244-2ème étage)

A scientist's eye view of research for sustainable energy

2013-04-04T11:30:00Z

Jeudi 4 avril 2013

We face one of the biggest challenges of the 21st century : providing more and more energy to meet rising demand, but keeping it affordable, secure, reliable and sustainable. But ‘sustainable' means different things to different people – from discovering and recovering more oil and gas to minimizing the impacts on natural resources used in energy. In this talk, I will outline the importance of scientific research to both finding new solutions and providing trusted data to underpin informed decisions about energy, water, land and minerals. Examples of research addressing these topics will be presented from a perspective of the scientific challenges in delivering new value in the energy system. These will span the disciplinary space of geoscience, chemistry, biology and natural resource systems.

13h30 - Conf IV
24 rue Lhomond, Paris
Contact : benjamin.huard@ens.fr, aleksandra.walczak@ens.fr
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