Sujets de Thèse Phd proposals 2010 – 2011

Laboratoire de Physique Théorique – UMR5152
IRSAMC, Université Paul Sabatier, 118 route de Narbonne
31062 Toulouse Cedex 09, France
Tél./Fax : [phone] 65
www.lpt.ups-tlse.fr

La pluridisciplinarité est le moteur vital de l’activité scientifique du LPT. Le laboratoire est structuré en quatre équipes, dont l’activité scientifique couvre un large champ de la physique moderne, à l’exclusion de la physique nucléaire et des particules :

Fermions Fortement Corrélés (FFC) (responsable : Didier Poilblanc)
Mots clés : magnétisme quantique, frustration magnétique, supraconductivité non conventionnelle, matériaux de basse dimensionnalité, transitions de phases quantiques, atomes froids, simulations numériques.

Information et Chaos Quantiques (Quantware) (responsable : Dima L. Shepelyansky)
Mots clés : ordinateur quantique, algorithmes quantiques, cohérence quantique, rôle du désordre et des impuretés, chaos classique et quantique, physique mésoscopique, atomes froids, astrophysique.

Physique Statistique des Systèmes Complexes (PhyStat) (responsable : David S. Dean)
Mots clés : physique de la matière molle et biophysique, systèmes fortement hors d’équilibre, systèmes désordonnés, systèmes interagissant à longue portée, processus stochastiques et leurs applications, astrophysique.

Systèmes de Fermions Finis – Agrégats (Agrégats) (responsable : Éric Suraud)
Mots clés : interaction laser-matière, agrégats en champs externes, physique des agrégats en matrice ou déposés, agrégats d’intérêt biologique, simulations numériques et méthodologie.

Multidisciplinarity is the vital and inspiring motor of the scientific activity of LPT since its foundation. The LPT is structured into four groups covering a wide spectrum of modern physics, excluding particle and nuclear physics:

Fermions Fortement Corrélés (Strongly Correlated Fermions; FFC)
Key words: quantum magnetism, frustrated magnetism, unconventional superconductivity, low-dimensionality materials, quantum phase transitions, cold atoms, numerical simulations.

Information et Chaos Quantiques (Quantum Information and Chaos; Quantware)
Key words: quantum computer, quantum algorithms, quantum coherence, role of disorder and impurities, classical and quantum chaos, mesoscopic physics, cold atoms, astrophysics.

Physique Statistique des Systèmes Complexes (Statistical Physics of Complex Systems; PhyStat)
Key words: soft condensed matter and biophysics, out of equilibrium physics, disordered systems, long-range interacting systems, stochastic processes and their applications, astrophysics.

Systèmes de fermions finis – Agrégats (Finite fermionic systems; Agrégats)
Key words: laser-matter interaction, clusters in external fields, physics of embedded or deposited clusters, clusters of biophysical interest, numerical simulations and methodology.

Étude de la dynamique des bulles de dénaturation couplée à la diffusion
des brins d’ADN

Les bulles de dénaturation dans l’ADN sont des ouvertures locales d’un petit nombre de paires de bases consécutives sous l’effet des fluctuations thermiques [1]. Dans des expériences récentes étudiant la dynamique de respiration de ces bulles pour des petits brins d’ADN, de longs temps de relaxation de l’ordre de 20 à 100 µs ont été mesurés [2]. Des études théoriques, basées sur des modèles unidimensionnels de l’ADN [3,4], ont expliqué ces résultats en terme de dégraffage [5] et en supposant que la chaîne est dans un état «gelé». Cependant, les effets tridimensionnels comme les modes de courbures de la chaîne n’ont pas été pris en compte dans ces études.

En effet, le double brin d’ADN est bien modélisé par un polymère semi-flexible fluctuant, rigide à courte distance et flexible à plus grande distance. Son grand module de courbure est usuellement associé aux interactions d’empilement entre paires de bases successives (associées à l’empilement des cycles aromatiques des bases). Ce couplage entre l’élasticité de la chaîne et ses états internes (paire de bases ouverte ou fermée) à été étudié théoriquement dans le cadre de la dénaturation de l’ADN à l’équilibre [6,7,8] : il a été montré que la nucléation des bulles est reliée à leur grande flexibilité (ADN simple brin).

Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est l’étude du couplage entre la dynamique globale de la chaîne et celle, locale, des bulles. Plus précisément, le but est de comprendre comment les longs temps de relaxation observés dans la respiration des bulles sont reliés aux propriétés mécaniques et statistiques de la chaîne (coefficient de diffusion, temps de Rouse, taille, longueur de persistance). Deux problématiques s’ensuivent naturellement. D’une part, les interactions hydrodynamiques et la dynamique des contre-ions devraient être prises en compte pour une comparaison précise avec l’expérience. D’autre part, la dynamique de l’ADN est centrale pour la formation de complexes ADN-protéines : quel est le rôle joué par les propriétés mécaniques globales de la chaîne dans l’enroulement autour de protéines comme les histones ? Les interactions mises en jeu, de nature électrostatique, modifient certainement la structure interne du double brin et donc ses propriétés élastiques [9].

Du point de vue biologique, cette étude concerne directement la compréhension de la réplication et de la transcription in vivo qui sont des processus actifs et hors équilibre, certainement contrôlés par des grandeurs cinétiques (telles des barrières d’activation). Par exemple, des protéines comme les «Single Strand Binding» (SSB) sont connues pour contrôler in vivo la rigidité du simple brin lors de la réplication.

Les méthodes théoriques utilisées dans cette étude seront à la fois numériques (dynamique brownienne et simulations Monte-Carlo) et analytiques (matrices de transfert, équations de Fokker-Planck et de Langevin). L’étudiant en thèse sera amené à se familiariser avec ces outils théoriques dans le contexte de la physique appliquée à la biologie, un domaine de recherche très actif actuellement. L’accent sera mis, dans la mesure du possible, sur la comparaison avec les expériences (collaborations avec l’Institut de Pharmacologie et Biologie Structurale de Toulouse).

1. P.C. Nelson, Biological Physics. Energy, Information, Life (WH Freeman, New York, 2004)

2. G. Altan-Bonnet, A. Libchaber, and O. Krichevsky, Phys. Rev. Lett. 90 138101 (2003)

3. D. Poland and H.R. Scheraga, Theory of Helix Coil Transition in Biopolymers (Academic Press, New York, 1970)

4. M. Peyrard and A.R. Bishop, Phys. Rev. Lett. 62 2755 (1989)

5. T. Amb jörnsson, S.K. Banik, O. Krichevsky, and R. Metzler, Phys. Rev. Lett. 97 128105 (2006)

6. J. Palmeri, M. Manghi, N. Destainville, Phys. Rev. Lett. 99 088103 (2007) http://arxiv.org/abs/cond-mat/0612588

7. J. Palmeri, M. Manghi, N. Destainville, Phys. Rev. E 77 011913 (2008) http://arxiv.org/abs/arXiv:0709.2843

8. M. Manghi, J. Palmeri, N. Destainville, J. Phys. : Cond. Mat. 21 034104 (2009) http://arxiv.org/abs/0809.0456

9. N. Destainville, M. Manghi, J. Palmeri, Biophys. J. 96 4464 (2009) http://arxiv.org/abs/0903.1826
Thèse proposée par : Manoel Manghi, Nicolas Destainville, John Palmeri
Laboratoire : Laboratoire de Physique Théorique
Email : [e-mail], [e-mail], [e-mail]
Page Web : http://www.lpt.ups-tlse.fr/

Study of denaturation bubble dynamics coupled to DNA strand diffusion

Denaturation bubbles in DNA are local opening of a small number of consecutive base pairs under thermal fluctuations [1]. In recent experiments on bubble breathing dynamics in short DNA segments, long relaxation times on the order of 20 to 100 µs have been measured [2]. Some theoretical studies, based on one-dimensional DNA models [3,4], explained these results in terms of unzipping [5] by supposing the chain in a “frozen” state. However, tridimensional effects, such as chain bending modes, have not been taken into account in these studies.

Indeed, double-stranded DNA is well modeled as a fluctuating semi-flexible polymer, rigid at short length scales and flexible at larger ones. The large bending rigidity is usually associated to stacking interactions along double-stranded DNA base pairs (associated to the stacking of base aromatic rings). This coupling between DNA chain elasticity and its internal states (bound or unbound base pairs) has been theoretically studied in the framework of DNA denaturation in equilibrium [6,7,8]: it is shown that denaturation bubble nucleation is related to the very large bubble flexibility (single-stranded DNA) compared to the double-stranded DNA one.

In this context, the aim of this training course is the study of the coupling between the whole chain dynamics and the local bubble one. Namely, the goal is to understand how these long relaxation times observed in bubble breathing are related to the mechanical and statistical properties of the whole chain (diffusion coefficients, Rouse time, length, persistence length). Going further, two natural subjects can be developed thoroughly. For one, hydrodynamic interactions and counter-ions dynamics should be taken into account for a precise comparison with experiments. For another, DNA dynamics is central in the formation of DNA-protein complexes: what is the role played by the mechanical properties of the whole chain in its adsorption onto (possible wrapping around) proteins? The non-specific interactions at work, which are electrostatic in nature, certainly modify the internal structure of double-stranded DNA and therefore its elastic properties [9].

On the biological point of view, this study concerns directly the understanding of replication and transcription in vivo, which are out-of-equilibrium active processes and are certainly controlled be kinetic quantities (such as activation barriers). For instance, proteins such as Single Strand Binding ones (SSB) are known to control in vivo single-stranded DNA rigidity during the replication process. The theoretical methods used in this study will be both numerical (Brownian dynamics and Monte- Carlo simulations) and analytical (transfer matrices, Fokker-Planck and Langevin equations). The student will familiarize himself with theoretical tools in the context of physics applied to biology, which is a very active and timely research area. An effort will be made, as much as possible, on the comparison with experiments (collaborations with the Institute of Pharmacology and Structural Biology of Toulouse).
1. P.C. Nelson, Biological Physics. Energy, Information, Life (WH Freeman, New York, 2004)

2. G. Altan-Bonnet, A. Libchaber, and O. Krichevsky, Phys. Rev. Lett. 90 138101 (2003)

3. D. Poland and H.R. Scheraga, Theory of Helix Coil Transition in Biopolymers (Academic Press, New York, 1970)

4. M. Peyrard and A.R. Bishop, Phys. Rev. Lett. 62 2755 (1989)

5. T. Amb jörnsson, S.K. Banik, O. Krichevsky, and R. Metzler, Phys. Rev. Lett. 97 128105 (2006)

6. J. Palmeri, M. Manghi, N. Destainville, Phys. Rev. Lett. 99 088103 (2007) http://arxiv.org/abs/cond-mat/0612588

7. J. Palmeri, M. Manghi, N. Destainville, Phys. Rev. E 77 011913 (2008) http://arxiv.org/abs/arXiv:0709.2843

8. M. Manghi, J. Palmeri, N. Destainville, J. Phys. : Cond. Mat. 21 034104 (2009) http://arxiv.org/abs/0809.0456

9. N. Destainville, M. Manghi, J. Palmeri, Biophys. J. 96 4464 (2009) http://arxiv.org/abs/0903.1826

PhD proposal by: Manoel Manghi, Nicolas Destainville, John Palmeri

Laboratory: Laboratoire de Physique Théorique

Email: [e-mail], [e-mail], [e-mail]

Web Page: http://www.lpt.ups-tlse.fr/

Théories des champs et méthodes numériques pour le magnétisme

quantique frustré

Le sujet proposé ci-dessous et prévu pour une thèse à effectuer au sein du groupe "Fermions Fortement Corrélés" du Laboratoire de Physique Théorique de l'Université Paul Sabatier. Un stage de M2 sur le même sujet est possible avant le début de la thèse.

L'étude des systèmes magnétiques quantiques frustrés est l'un des sujets où l'on retrouve le plus d'activité actuellement en physique de la matière condensée. Ils constituent en effet le "laboratoire" idéal pour observer l'émergence d'effets collectifs exotiques tels que les excitations fractionnaires ou la dégénérescence topologique. Ils servent aussi comme premier pas pour comprendre la physique de systèmes plus complexes tels que ceux reliés à la supraconductivité à hautes températures.

Les méthodes proposées par Haldane pour établir des intégrales de chemins pour les systèmes de spins ont déjà fait preuve d'une très grande utilité pour comprendre diverses propriétés non-triviales des systèmes magnétiques à basse température (voir par exemple une revue de diverses méthodes dans [1]). Il reste néanmoins encore beaucoup de choses à comprendre, notamment pour les systèmes frustrés en présence d'un champ magnétique. L'effet des phases de Berry qui interviennent dans la fonction de partition, et qui ont un rôle très important en champ nul, commence à être étudié aussi en champ non nul [2]. Par ailleurs, des méthodes numériques modernes telles que le Density Matrix Renormalization Group (DMRG) [3] permettent d'avoir des résultats très précis pour les systèmes quasi-unidimensionnels.

Dans ce sujet nous proposons de poursuivre l'étude de certains de ces systèmes frustrés en champ magnétique, et de mener en parallèle des études analytiques et numériques. La construction de la théorie des champs effective pour de tels systèmes devrait permettre de mettre en évidence la présence des propriétés qui sont la signature d'une physique non-triviale. Celle-ci peut en parallèle être confrontée aux résultats des calculs numériques qui seront souvent essentiels pour mieux guider les approches analytiques. Les prédictions établies à partir de cette approche mixte seront ensuite très utiles pour la compréhension des données expérimentales de matériaux sous champs magnétique intenses.
L'étudiant est supposé avoir une certaine familiarité avec les notions élémentaires en physique du solide et matière condensée.
Références :

[1] D. Cabra et P. Pujol, Chapitre du livre "FIELD THEORETICAL METHODS IN QUANTUM MAGNETISM"

voir : http://www.lpt.ups-tlse.fr/IMG/pdf/chapter.pdf

[2] A. Tanaka, K. Totsuka et X. Hu, Phys. Rev. B 79 064412 (2009).

[3] S.R.White, Phys. Rev. Lett. 69, 2863 (1992), Phys. Rev. B 48, 10345 (1993).
Thèse proposée par : Pierre Pujol et Sylvain Capponi
Laboratoire : Laboratoire de Physique Théorique
Email/Téléphone : [e-mail] / (33) 05 61 55 68 40
Page Web : http://www.lpt.ups-tlse.fr/pujol

Field theory and numerical techniques for frustrated quantum magnetism

The proposed topic is for a PhD thesis to be done within the group "strongly correlated Fermions" of the Laboratory of Theoretical Physics at the Université Paul Sabatier. A training course of M2 on the same subject is possible before the start of the thesis.

The study of quantum frustrated magnetic systems is one of the areas where we find the more activity now in condensed matter physics. They are indeed the "laboratory" to see the emergence of exotic collective effects such as fractional excitations or topological degeneracy. They also serve as the first step in understanding the physics of complex systems such as those related to high-temperature superconductors.
The methods proposed by Haldane to define paths integrals for spin systems have already proven to be of great utility to study various non-trivial properties of magnetic systems at low temperature (for a review, see for example [1]). There are still quite a lot of open questions, especially for frustrated systems in the presence of a magnetic field. The effect of Berry phases involved in the partition function, which have a very important role in the absence of a magnetic field, began to be studied in the presence of a non-zero field [2]. Modern numerical methods such as the Density Matrix Renormalization Group (DMRG) [3] have proven in the last years to be a very powerful technique in obtaining accurate results in quasi 1-D systems.

The aim of the project is to study frustrated systems in the presence of a magnetic field and build the field theory arising from them. This description should in principle allow to reveal in a rigorous way some properties that are the signature of a non-trivial physics. Numerical techniques will be used in parallel in order to settle the most suited route for the analytical methods and also to allow a comparison between the results from both techniques. The predictions arising from our study should allow a better understanding of some experiments realized on novel materials under high magnetic fields.

The student is supposed to have some familiarity with the basics in solid state physics and condensed matter theory.

References:

[1] D. Cabra and P. Pujol, Chapter of the book "FIELD THEORETICAL METHODS IN QUANTUM MAGNETISM"

see: http://www.lpt.ups-tlse.fr/IMG/pdf/chapter.pdf

[2] A. Tanaka, K. Totsuka and X. Hu, Phys. Rev. B 79 064412 (2009).

[3] S.R.White, Phys. Rev. Lett. 69, 2863 (1992), Phys. Rev. B 48, 10345 (1993).
PhD proposal by: Pierre Pujol and Sylvain Capponi
Laboratory: Laboratoire de Physique Théorique
Email/Phone: [e-mail] / (33) 05 61 55 68 40
Web Page: http://www.lpt.ups-tlse.fr/pujol

Magnétisme électronique des conducteurs antiferromagnétiques

Plusieurs matériaux parmi les plus intéressants étudiés aujourd'hui – chrome et supraconducteurs à haute température critique, oxypnictures à base de fer, les conducteurs organiques et fermions lourds - présentent des phases conductrices antiferromagnétiques remarquables. Une des propriétés fondamentales de ces phases est notamment négligée par les études théoriques et n'est pas encore détectée dans les expériences : la dépendance du g-tenseur électronique en l'impulsion. Le sujet proposé vise à étudier les nouvelles signatures de cet effet, en utilisant des approches de symétrie, des calculs (pour la plupart) analytiques, et en mettant en jeu des collaborations avec des groupes expérimentaux.

Thèse proposée par : Revaz Ramazashvili
Laboratoire : Laboratoire de Physique Théorique
Email/Téléphone : [e-mail] / 05.61.55.65.13
Page Web : http://www.lpt.ups-tlse.fr/spip.php?rubrique8

Electron magnetism of antiferromagnetic conductors

From chromium to cuprates, iron pnictides, organic and heavy-fermion compounds, antiferromagnetic conductors are among some of the most interesting materials presently studied. One of their fundamental common properties remains largely overlooked: a symmetry-protected substantial momentum dependence of the electron g-tensor. The proposed project would aim at predicting novel experimental signatures of this phenomenon, and would involve symmetry analysis, (mostly) analytic calculations, and interaction with experimentalists.

PhD proposal by: Revaz Ramazashvili
Laboratory: Laboratoire de Physique Théorique
Email/Phone: [e-mail] / 05.61.55.65.13
Web Page: http://www.lpt.ups-tlse.fr/spip.php?rubrique8

Décohérence et mesures de précision

Le développement de l’informatique quantique a conduit au concept des « Quantum Enhanced Measurements », QEM. Cette méthode propose d’utiliser des états quantiques de systèmes de taille relativement importante et d’exploiter leurs propriétés non-classiques pour augmenter la sensibilité des mesures classiques. Quelques-unes de ces mesures envisagées peuvent servir de base pour d’importantes applications, aussi bien scientifiques que technologiques. Une implémentation réussie de la QEM aurait alors un impact important dans plusieurs domaines, comme l’amélioration d’étalons de fréquence, la détection d’ondes gravitationnelles, la navigation, la mesure de champs magnétiques très faibles, etc.

Malheureusement, la création des états quantiques requis est extrêmement difficile, car ceux-ci sont dans la plupart des cas hautement intriqués et très sensibles à la décohérence. En effet, la décohérence a tendance à détruire très rapidement les propriétés des états non-classiques qui sont vitales pour la QEM.

L’objectif de ce projet de thèse est d’examiner dans quelle mesure la dépendance de la décohérence en fonction des paramètres du système peut être exploitée elle-même pour des mesures de précision. Nous avons mené des études préliminaires qui montrent qu’il devrait être possible d’attendre la limite de Heisenberg avec un tel schéma. Le but principal du projet sera de développer une compréhension approfondie de ces « decoherence enhanced measurements », en particulier au niveau de leurs conditions, de leur performance théorique et des leurs limitations, tout en proposant des schémas pour une vérification expérimentale.

Ce travail théorique sera surtout analytique, et de ce fait une bonne maîtrise au niveau des techniques de calcul est essentielle. Cependant, des connaissances en programmation sont souhaitables.

Thèse proposée par : Pr. Daniel Braun
Laboratoire : Laboratoire de Physique Théorique
Email/Téléphone : [e-mail] / [phone]
Page Web : http://www.lpt.ups-tlse.fr/danielbraun

Decoherence and Precision Measurements

Quantum-Enhanced Measurements (QEM) promise unprecedented sensitivity of precision measurements by using quantum mechanical states of relatively large physical systems and exploiting their non-classical properties. Some of the measurements envisaged can serve as primers for many important applications, both scientific and technological. Successful implementation of QEMs would therefore have a large impact in many areas, such as improvement of frequency standards, gravitational wave detection, navigation, measurement of very small magnetic fields, and many more.

Unfortunately, the production of the required quantum states is extremely difficult as these are in most cases highly entangled and very prone to decoherence. Decoherence tends to destroy the vital coherence properties of the non-classical states extremely rapidly, in which case they become useless for QEM.

The aim of the Ph.D. thesis is to investigate to what extent the dependence of decoherence itself on system parameters can be exploited for precision measurements. Preliminary studies which we have undertaken show that it should be possible to reach the Heisenberg limit with such a scheme. The main goal of the project will be to develop a broad understanding of such « decoherence-enhanced measurements », their requirements, theoretically possible performance and limitations, and to work out concrete proposals for experimental verification.

The work will be mostly analytical, but will also need some numerical efforts. A good command of analytical techniques is essential.

PhD proposal by: Prof. Daniel Braun
Laboratory: Laboratoire de Physique Théorique
Email/Phone: [e-mail] / [phone]
Web Page: http://www.lpt.ups-tlse.fr/danielbraun