LPTMS Highlights

Geometry and interactions in self-assembled biological systems

In honour of Françoise Livolant, the LPS (Laboratoire de Physique des Solides) and LPTMS (Laboratoire de Physique Théorique et Modèles Statistiques) are organising an international conference on geometry and interactions in self-assembled biological systems.

We will host a two days conference in Orsay, on March 23-24, 2017. Colleagues and friends are welcome.

Participants may submit their contributions to poster sessions.

Registration is free of charge but mandatory.

The conference will be held at the Institut de Physique Nucléaire (IPN), Orsay (Building 100A), close to the train station Orsay Ville on the RER B line.

The link of the conference: https://flivolant2017.sciencesconf.org/


Elaborer une relaxation rapide pour un micro-système

Des physiciens viennent de proposer un nouveau protocole pour changer l’état d’un système mécanique sans qu’il ne s’échauffe. Ce protocole s’avère bien plus rapide que la limite imposée par la relaxation thermique. En l’appliquant au contrôle d’une microparticule piégée par des pinces optiques, ils ont démontré une accélération d’un facteur 100.

Agir vite et attendre ou agir lentement : c’est bien souvent le seul choix de qui veut changer l’état thermodynamique d’un système sans en changer la température. L’archétype de cette situation est la compression d’un gaz : s’il est comprimé rapidement, il s’échauffe et il faut attendre pour que sa température redescende à sa valeur initiale, et si l’on souhaite qu’il ne s’échauffe pas, il faut procéder lentement (le système est en contact avec un thermostat). Des physiciens du Laboratoire de Physique (Univ. Lyon 1/ENS Lyon/CNRS), du Laboratoire de Physique Théorique et Modèles Statistiques (LPTMS, CNRS/Univ. Paris-Sud et Univ. Paris-Saclay) et du Laboratoire Collisions, Agrégats, Réactivité (LCAR, CNRS/Univ. Toulouse 3) viennent de démonter qu’une alternative est possible. Le protocole qu’ils proposent permet d’effectuer une transformation rapide qui amène le système à la fois dans l’état thermodynamique souhaité tout en assurant une température finale égale à la température initiale. Ce résultat a été possible grâce à une collaboration étroite entre les théoriciens et les expérimentateurs des trois laboratoires, et à la qualité du système de piège optique 3D construit au Laboratoire de Physique de l’ENS Lyon. Le principe est d’effectuer une première transformation qui « dépasse » l’état souhaité, pour y revenir dans un second temps en suivant une dynamique très précise (prootocole nommé ESE). In fine, les limites ultimes n’ont plus trait aux échanges thermiques, mais relèvent uniquement de la précision de la modélisation du système physique, et des capacités expérimentales de modulation rapide des paramètres de contrôle. Ce travail est publié dans la revue Nature Physics.

Dans ce travail, les physiciens ont considéré une bille en silice de 2 microns piégée par une pince optique, c’est-à-dire un faisceau laser focalisé qui attire la particule dans la région d’intensité maximale. D’un point de vue thermodynamique, ce système peut être vu comme un gaz à une particule placée dans la boite de taille variable que constitue le piège. En changeant l’intensité du laser, les chercheurs modifient la raideur du piège et en quelque sorte la taille de la boite qui contient la particule. Leur objectif est alors de réduire la taille du piège sans augmenter l’énergie d’agitation thermique de la particule. En modélisant fidèlement ce système, les chercheurs ont déterminé un protocole de transformation 100 fois plus rapide que la solution consistant à réduire rapidement la taille et à attendre la thermalisation de la particule (protocole appelé STEP dans la figure ci-dessus). En pratique leur protocole consiste à augmenter transitoirement la raideur très au-delà de la valeur finale demandée, pour revenir avec la ‘’bonne’’ évolution temporelle à la valeur souhaitée à la fin de la transformation. Cette idée peut s’adapter à de nombreux systèmes, par exemple le contrôle du mouvement de la pointe d’un microscope à force atomique pour de l’imagerie rapide. Elle présente aussi un fort potentiel d’application sur les micro et nano systèmes, où la réduction du temps de réponse est un objectif aussi important que la miniaturisation.

 

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Schéma de principe du processus pour lequel le temps d’équilibration a été réduit grâce au protocole ESE. Au temps initial, la particule Brownienne est à l’équilibre. Elle est confinée par un potentiel harmonique de raideur Ki (ligne noire) et sa position a une distribution de probabilité ρ(x) (histogramme bleu) avec une déviation standard σx(ti). A la fin du processus au temps tf, la particule est à l’équilibre dans un potentiel plus confinant. La déviation standard σx(tf) de ρ(x) est par conséquent plus petite que sa valeur initiale. Par la méthode ESE, on peut définir une évolution temporelle appropriée de K(t), qui permet au système d’être à l’équilibre en un temps tf arbitrairement court.

image2_cilibertoRelaxation de la déviation standard σx(t) (normalisée à sa valeur finale) lors d’un protocole STEP (courbe rouge) et ESE (courbe noire). La ligne bleue précise la valeur d’équilibre recherchée. La ligne verticale pointillée indique la durée du protocole ESE. Le temps d’équilibration est 100 fois plus petit pour le protocole ESE que pour le protocole STEP (noter l’échelle log de l’axe des abscisses).

Référence: Engineered swift equilibration of a Brownian particle
I. A. Martínez, A. Petrosyan, D. Guéry-Odelin, E. Trizac et S. Ciliberto
Nature Physics 12, 843–846 (2016).

Lien vers site CNRS

 


Anisotropic collisions of dipolar Bose–Einstein condensates in the universal regime

When confronted with the enormous diversity of material properties, it is absolutely fantastic to believe that such diversity arises from the relatively small group of fundamental elements which constitute the periodic table. Indeed, here on earth we have appreciable quantities of roughly only one hundred different elements. So is it really true that this small group of fundamental building blocks accounts for every single thing we have ever seen, heard, tasted, smelt, and felt?

Science is slowly revealing that in fact it is less the individual atom, and more the interactions among atoms which unlock the door to this diversity. By understanding "what form are these interactions" and "what are their consequences" at the level of just two individual, isolated atoms we make our first step toward understanding material properties. And this can be done with our feet remaining firmly planted in the most fundamental theory at our disposal: Quantum physics.

Each element on the periodic table has its own unique shape. This is determined by the way its electrons are configured. Only elements with either half filled or completely filled electronic sub-shells turn out to be spherical, the rest are aspherical. The rare-earth element dysprosium lies in the lanthanide chemistry group and presents a very interesting extremum in that it's electronic configuration makes it extremely highly ellipsoidal. This ellipticity equates to dysprosium having the strongest interatomic dipole-dipole forces among all common stable elements.

New research published in two recent articles lifts the lid on the consequences of these strong dipolar interactions in ultra-cold dysprosium fluids. When two dysprosium atoms collide, they exchange momenta under the constraints of conserved energy and momentum. The post-collision momenta of the two atoms is statistically determined by the quantum wave-function of the two particles. Indeed, this aspect is similar to all atoms. However, in strongly dipolar atoms such as dysprosium, things get a little more interesting. Here, the distribution of outgoing momenta depends strongly on the orientation of the dipoles relative to the axis along which the atoms collide. The details of such collisions need to be accurately understood in order to understand the dynamics of the entire fluid. Theorists at LPTMS were able to understand these collision events based on an analytic solution to the two-body Schroedinger equation. Furthermore, they went on to incorporate this understanding into a Monte-Carlo simulation algorithm. This technique promotes the information of two-body collisions into an ab-initio theory of the entire gas. Remarkable experimental progress by Professor Benjamin Lev and his team at Stanford University are now able to control isolated mesoscopic clouds of ultra cold dysprosium atoms. Comparisons between the theory and the experiment provided, not only remarkable agreement, but an entirely new method of thermometry in dipolar gases, and a new tool to measure scattering length (particularly in the presence of Fano-Feshbach resonances).

 

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The experiments involve a collision between two oppositely propagating clouds of dysprosium atoms. In the images above (along the bottom row) one can see a snapshot after these clouds have passed through one another. The clearly visible ``large blobs'' are atoms which never experienced a collision. The other atoms, which appear on the ``halo-like'' sphere did experience a collision. While conservation of energy and momentum requires all atoms that scatter end up some where on the sphere, the distribution around the sphere is determined by the nature of the interatomic interaction. Moreover, in the case of dipolar interactions, it is furthermore dependent on the dipole alignment direction relative to the collision axis. So, moving along the images from left to right, the dipoles are aligned parallel, forty five degrees, and perpendicular to the collision axis (as shown schematically in the top row). The experiments analyse the atomic clouds by looking at absorption images of their three-dimensional spatial distribution.

References:

N. Q. Burdick, A. G. Sykes, Y. Tang and B. L. Lev, New J. Phys. 18 113004 (2016)

Y. Tang, A. G. Sykes, N. Q. Burdick, J. M. DiSciacca, D. S. Petrov, and B. L. Lev, Phys. Rev. Lett. 117, 155301 (2016)


Interview et diaporama sur le futur bâtiment

Interview concernant le FLI (bâtiment FAST/LPTMS/IPa):


Comprendre et résoudre l’évolution de modèles en sciences sociales grâce à une équivalence avec des systèmes physiques

Des physiciens viennent de trouver un lien formel profond entre une classe d’équations utilisées en sciences sociales, les jeux à champ moyen quadratiques et une équation omniprésente en physique, l’équation de Schrödinger non linéaire. En transférant les méthodes et solutions de cette équation étudiée depuis près de cent ans en physique, ils apportent de nouveaux outils conceptuels permettant de dépasser les approches actuelles reposant sur la simulation numérique.

 

Il y a une dizaine d’années, des mathématiciens ont proposé un nouveau cadre conceptuel pour modéliser des phénomènes collectifs relevant de la sociologie ou de l’éthologie, tels que le comportement de foules, bancs de poissons et hordes animales, ou des sciences de l’ingénieur, avec par exemple l’optimisation de la consommation électrique pour le chauffage. Dans cette « théorie des jeux à champ moyen », le comportement d’un individu est déterminé par l’anticipation qu’il peut faire, en moyenne sur le bruit, des actions futures de l'ensemble des autres membres du groupe. Cette modélisation qui fait intervenir à la fois le passé et le futur conduit à des équations mathématiques relativement complexes. Excepté quelques cas simples, ces modèles sont par ailleurs le plus souvent abordés par le biais de simulations numériques, ce qui rend difficile une compréhension profonde de leur comportement. Des physiciens du Laboratoire de physique théorique et modèles statistiques (LPTMS, CNRS/ Univ. Paris Sud) et du Laboratoire de physique théorique et modélisation (LPTM, CNRS/Univ. Cergy-Pontoise) viennent d’établir un lien formel entre une classe particulière de ces jeux à champ moyen, les jeux dits « quadratiques », et une équation intervenant dans de nombreux phénomènes physiques et étudiée depuis près d’un siècle : l’équation de Schrödinger non linéaire. Ils ont alors transférer la bonne compréhension de cette équation et la connaissance de solutions à des situations complexes impliquant des groupes sociaux. Ils ont notamment montré comment certains schémas d’approximations telles que les approches variationnelles, bien connus dans le contexte de l’équation de Schrödinger non linéaire, permettent de décrire la formation de ces groupes et d’en comprendre les temps caractéristiques. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.

Les chercheurs ont analysé la modélisation d’une population d’individus qui évoluent dans un espace à une dimension pouvant représenter l’espace physique dans lequel ils se déplacent, ou bien la quantité d’une ressource naturelle dont ils disposent ou encore la valeur de leur investissement dans un portefeuille d’actions. La dynamique de ces individus contient une partie déterministe, contrôlée par l’individu lui même et visant à optimiser une certaine fonction de coût ainsi qu’une partie aléatoire. Les physiciens ont montré que sous certaines conditions un changement de variable non linéaire fait apparaître deux nouvelles quantités jouant le rôle de variables duales pour une équation de Schrödinger non linéaire, équation intervenant dans de très nombreux domaines de la physique, allant de la propagation d’une impulsion lumineuse dans une fibre optique aux vagues, en passant par des particules quantiques en interaction. Cette connexion fournit une nouvelle façon de penser ces modèles de jeux à champ moyen et a permis aux chercheurs d’importer dans ce contexte un ensemble de techniques et de méthodes d’approximations, développées au cours du temps par différentes communautés de physiciens. C’est le cas par exemple d’une classe de solutions de l’équation de Schrödinger non linéaire connue sous le nom de solitons. Ces solutions localisées se propagent indéfiniment sans déformation. Les chercheurs ont ainsi montré que des solutions de ce type existent dans certains modèles de jeux à champ moyen et peuvent servir à interpréter le comportement de différents groupes d’animaux tels que des bancs de poissons ou des hordes d’herbivores qui ont la propriété de se déplacer en « paquets localisés », c’est-à-dire comme des solitons.

Reference: Igor Swiecicki, Thierry Gobron, and Denis Ullmo, Phys. Rev. Lett. 116, 128701 (2016).


Fast electronic resistance switching involving hidden charge density wave states

The journal Nature Communications has just published [1] an article “Fast electronic resistance switching involving hidden charge density wave states”. The research is a synthesis of the experimental work performed at the Laboratory of the Complex Matter led by Dragan Mihailovic at the Jozef Stefan Institute in Ljubljana, Slovenia, and the theoretical part performed by Serguei Brazovskii at the LPTMS. The experiments have been performed upon a very popular nowadays material TaS2 which basic units are the planes of strongly correlated electrons showing an intriguing competition of cooperative states such the charge density wave, Wigner crystal, Mott insulator, and polaronic lattice. The article describes an ultrafast non-volatile resistance switching under application of short pulsed current injection, where injected charges create domain walls, converting the material from an insulator to a metal at low temperatures. From a technological viewpoint, this opens up the possibility of low-temperature ultrafast memory devices. The theoretical challenge was to identify and to model the mechanism for formation of a network of charged domain walls originated by the intrincic Coulomb instability of the lattice of self-trapped electrons. This work continues an already well established and very successful collaboration between the two laboratories as it has been certified by earlier prestigious publications [2-4].

[1] Nature Communications, 7, 11442 (16 May 2016), Fast electronic resistance switching involving hidden charge density wave states, I. Vaskivskyi,    I. A. Mihailovic,    S. Brazovskii,    J. Gospodaric,    T. Mertelj,    D. Svetin,    P. Sutar    and D. Mihailovic .

[2] I. Vaskivskyi, J. Gospodaric, S. Brazovskii, D. Svetin, P. Sutar, E. Goreshnik, I.A. Mihailovic, T. Mertelj, and D. Mihailovic, “Controlling the metal-to-insulator relaxation of the metastable hidden quantum state in 1T-TaS2”, Science  Advances, 1, 1500168 (2015).

[3] L. Stojchevska, I. Vaskivskyi, T. Mertelj, P. Kusar, D. Svetin, S. Brazovskii, and D. Mihailovic,
Ultrafast switching to a stable hidden quantum state in an electronic crystal”, Science, 344, 177 (2014).

[4] R. Yusupov, T. Mertelj, V.V. Kabanov, S. Brazovskii, J.-H. Chu, I. R. Fisher, and D. Mihailovic,
“Coherent dynamics of macroscopic electronic order through a symmetry breaking transition”,
Nature Physics,
6, 681 (2010).

 

 


Physics and Biological Systems 2016 October 24-26

Contact: PhysBio2016.lptms@u-psud.fr
The link of the conference: http://lptms.u-psud.fr/physbio2016/

The 3rd International Conference on Physics and Biological Systems will be held on October 24-26th 2016 at École polytechnique in Palaiseau – greater Paris area. It aims to bring together a broad range of physical and life scientists working at the interface between the two disciplines around in-depth talks by first-rate international speakers. Attendance will be limited to 150 participants. We look forward to welcoming you in Palaiseau!


10 million dollars to understand the glass transition

Une collaboration internationale, à laquelle participe Silvio Franz du LPTMS, compte mettre en équation l’état de la matière dans un matériau vitreux. Ses travaux sont financés, au terme d’un appel d’offres très sélectif, par la fondation Simons.

Lien vers l’article sur le site du CEA (français)

Link to the Simons foundation website (english)

Lien vers les actus de l'université Paris Sud (français)


The cell membrane winds up like a watch

Cell membranes are very elastic. They can become distorted when they are asked to do so, when the cell divides, or when a virus detaches itself from the cell. In both cases, the membrane is deformed by a protein complex called ESCRT-III. Up until now, we did not understand how this complex works. Swiss and French researchers say that this protein complex forms a molecular spring at the surface of the cell, and operates like a watch spring. This article was published in Cell.

Just 15 years ago, scientists discovered the ESCRT-III protein complex (pronounced like «escort»). This protein complex actually plays an essential role in the key moments a cell’s life. This complex is behind the final phase of cell division, when the membrane is cut, which allows the daughter cells to divide. ESCRT-III also helps some viruses (such as HIV) to separate themselves from the host cell by cutting the virus bud attached to the cell membrane.

Like a watch spring
Researchers from the University of Geneva (UNIGE) and the NCCR Chemical Biology, INSERM (the French National Institute for Health and Medical Research)/Aix-Marseille University, and the French National Center for Scientific Research (CNRS) have just understood how ESCRT-III operates. Like a lego brick, the proteins fit into each other until they form a spiral. As they pack tightly together, they end up deforming the cell membrane. Similar to a watch spring, the over-compression accumulates the
energy required to start the system.

The latest technology
A combination of skills of biochemists, physicists, and theorists was required to understand the molecular mechanics of this complex. The theoretical estimated stored energy and the spring strength that Martin Lenz from the CNRS estimated were validated by the biophysical experiments conducted in Geneva. With the latest technology, the researchers were able to observe the movements of the complex in real time, and at the nanometer level. This feat was achieved with a high-speed atomic force microscope (AFM), the only one of its kind that can provide nanometric resolution in real time. This microscope was developed by Simon Scheuring, INSERM research director. Aurélien Roux, a  biochemistry professor at the UNIGE Faculty of Science, is pleased to say that this is the first time that this technique has been used for this kind of work, and that this proves, yet again, that interdisciplinary cooperation embarks us on original paths.

 

101772_web_850Electron micrograph showing ESCRT-III spirals bound to a membrane mimicking that of the cell

 

See also CNRS news item (in French)

Ref.: Relaxation of Loaded ESCRT-III Spiral Springs Drives Membrane Deformation,
N. Chiaruttini, L. Redondo-Morata, A. Colom, F. Humbert, M. Lenz, S. Scheuring et A. Roux, Cell 163, 866 (2015)


Caractériser le rayonnement d’un trou noir acoustique dans un condensat de Bose Einstein

Des physiciens viennent de montrer que les techniques expérimentales actuelles devraient permettre de détecter et de caractériser la signature quantique du rayonnement émis par l’horizon d’un trou noir acoustique réalisé dans l’écoulement unidimensionnel d’un condensat de Bose Einstein. L’une des prédictions les plus marquantes du physicien théoricien Stephen Hawking est que les trous noirs gravitationnels émettent un faible rayonnement d’origine quantique. Face aux difficultés théoriques et pratiques posées par l’expérimentation sur un tel objet, les physiciens se sont tournés vers l’étude des systèmes analogues et notamment dans le domaine hydrodynamique. La zone de transition entre une région subsonique et une région supersonique d’un écoulement constitue pour les ondes acoustiques l’analogue de l’horizon d’un trou noir car les ondes acoustiques ne peuvent pas remonter l’écoulement supersonique. Des physiciens du Laboratoire Charles Fabry - LCF (CNRS/IOGS/Univ. Paris-Sud), du Laboratoire de physique théorique d’Orsay - LPT (CNRS/Univ. Paris-Sud), du Laboratoire de physique théorique et de modèles statistiques - LPTMS (CNRS/Univ. Paris-Sud) et du centro Fermi, viennent de montrer dans une étude théorique qu’en choisissant comme fluide un condensat de Bose Einstein il devrait être possible de mettre en évidence un rayonnement sonique émis par l’horizon acoustique qui est l’analogue du rayonnement de Hawking émis par l’horizon d’un trou noir gravitationnel. La méthode proposée, qui consiste à mesurer les corrélations entre les vitesses des particules émises de part et d’autre de l’horizon sonique devrait permettre d’en caractériser les propriétés quantiques en s’affranchissant du bruit thermique. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.

Pour ce travail, les physiciens ont analysé théoriquement l’écoulement d’un condensat de Bose-Einstein piégé dans une configuration assurant un écoulement unidimensionnel. Un potentiel extérieur jouant un rôle d’obstacle produit dans le condensat un écoulement subsonique en amont de l’obstacle et supersonique en aval. Les chercheurs ont modélisé l’onde de matière que forme le condensat de Bose-Einstein par un champ quantique dont la dynamique est gouvernée par une équation permettant d’analyser les fluctuations quantiques au voisinage de la solution classique qui décrit l’écoulement du condensat. Dans ce cadre ils ont déterminé la matrice de diffusion permettant de relier les fluctuations repartant du système étudié aux fluctuations qui y parviennent. Ceci leur a permis de montrer que la formation d’un horizon sonique se traduit par l’apparition de deux pics distincts dans la distribution des vitesses des particules. Les physiciens ont également analysé les corrélations entre les vitesses des particules émises de part et d’autre de l’horizon, et ont identifié des signaux de corrélation spécifiques, qui n’apparaissent que lorsqu’un horizon sonique est présent. Certains de ces signaux correspondent alors aux corrélations entre les canaux d’émission des paires issues des fluctuations du vide. Ces corrélations entre les vitesses des particules émises de part et d’autre de l’horizon permettent de remonter à l’origine quantique du phénomène et de prouver que les paires émises sont intriquées. Cette intrication est démontrée en comparant l’intensité des corrélations croisées (sur les canaux d’émission “Hawking” et “partenaire” - voir figure) au simple produit des corrélations intra-canal. Ce critère s’avère particulièrement robuste vis à vis des fluctuations thermiques, et devrait pouvoir être accessible expérimentalement avec des condensats dont les caractéristiques sont semblables à ce qui est usuellement réalisé dans les laboratoires.

See also CNRS news item (in French)

Ref.: Quantum signature of analog Hawking radiation in momentum space, D. Boiron, A. Fabbri, P.-E. Larré, N. Pavloff, C. I. Westbrook, et P. Zin, Phys. Rev. Lett. 115, 025301 (2015)