Physique Numérique (PhysNum)

Les fluides sont tout autour de nous en permanence à toutes les échelles. Comprendre la mécanique des fluides, c’est comprendre la mécanique de ce qui nous entoure : air et eau en particulier. A ce titre l’hydrodynamique fait partie du bagage de base du physicien.

L’UE Hydrodynamique constitue une introduction à la mécanique des fluides incompressibles parfaits (Euler) et visqueux Newtoniens (Navier-Stokes). Les écoulements classiques sont présentés, ainsi que la notion de couche limite, d’instabilité et de turbulence. L’accent est mis plus sur les idées physiques plus que sur les méthodes de résolutions mathématiques ou numériques avancées.

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Cours TD d’anglais, à l’intention des étudiants de la filière Master 1 Physique et qui visent l’autonomie professionnelle en langue anglaise scientifique.

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Cet enseignement fait partie du fondement de la physique moderne. Il fournit un socle de connaissances strictement nécessaire pour tous les parcours en physique puisque il pose les bases de la description théorique de l’interaction entre le champ électromagnétique et les éléments quantiques élémentaires tels que les systèmes à deux niveaux, les atomes et les molécules. Il fournit par ailleurs l'enseignement nécessaire à la compréhension du LASER, des dispositifs optiques modernes, ainsi que des méthodes et des analyses de spectroscopies.

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A travers deux exemples particuliers (la diffraction de rayons X et les vibrations), ce module montre en détail comment on modélise les propriétés physiques d’un solide. Le formalisme sera aussi appliqué aux systèmes finis, comme des nanoparticules, et restera valable pour les matérieux amorphes, mais une attention particulière sera accordée aux systèmes périodiques (de la chaîne linéaire aux cristaux de protéines en passant par le graphène et le silicium). Associée à cette périodicité apparaitra naturellement la notion de réseau réciproque.

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Introduction à la physique statistique avancée : ensemble grand canonique ; statistiques quantiques ; fluides quantiques (condensation de Bose-Einstein, rayonnement thermique ; théorie de Sommerfeld) ; transitions de phase ; modèle d’Ising ; théorie de champ moyen ; dynamique des systèmes complexes.

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Projet tuteuré de 10 ECTS pendant lequel des groupes d’étudiants travaillent à l’élaboration d’un logiciel destiné à la recherche ou l’enseignement.

Ce projet est destiné à donner aux étudiants leur première expérience semi-professionnelle en travaillant en groupe de (>2) sur un projet assez important généralement proposé par des collègues chercheurs désirant développer et/ou étendre des logiciels destinés à un travail de recherche ou à l’adresse du grand publique.

L’encadrement est assuré par des collègues physiciens et éventuellement informaticiens. Les étudiants livrent un code avec sa notice. Un rapport est rédigé et une soutenance orale a lieu.    

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L’UE « Physique de la Matière Condensée 2: propriétés électroniques » est destinée aux étudiants intéressés par la physique du solide.

Dans la continuité de l’UE « Physique de la Matière Condensée 1: propriétés structurales » cette UE aborde les propriétés des électrons dans les solides cristallins, la structure de bandes des niveaux électroniques ainsi que les concepts de base de la physique des semi-conducteurs.

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La physique expérimentale actuelle nécessite généralement la mise en place d’une chaîne d’acquisition plus ou moins complexe impliquant différents types d’instruments : sources, capteurs, actionneurs, etc. et contrôleur (de type ordinateur). L’objectif de cette UE est de familiariser les étudiants à ce type de problématique afin qu’ils puissent mettre en place un tel système d’acquisition de données. Au niveau du contrôleur, la partie pilotage sera mise en œuvre en Python (en particulier avec la librairie PyVisa).  

- Présentation des interfaces/ports de communication les plus communs : série (RS-232, USB), parallèle (GPIB) ou encore réseau (éthernet) (CM).

- Mise en œuvre d’exemples simples de communication, de paramétrage d’appareils et d’acquisitions de données (TD).

- Développement d’une chaîne d’acquisition plus complète, via des projets (TP). 

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Savoir acquérir et traiter des données constitue des compétences indispensables dans un contexte professionnel de type scientifique et/ou technique. L’objectif de cet enseignement est d’adresser au mieux trois types de savoir-faire standards dans le milieu professionnel :

· L’utilisation avancée de tableurs/grapheurs (MS EXCEL, LO-CALC) pour un usage scientifique et technique

· Les interconnexions de réseaux : infrastructures, suite de protocoles TCP-IP, sécurité

· L’initiation aux bases de données relationnelles (MS ACCESS, LO-BASE) – concepts & vocabulaire, création de requêtes, états graphiques, formulaires.

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Enseignement de mathématiques pour la physique numérique. Introduction d’outils pour l’étude des équations aux dérivées partielles (distributions, formulation variationnelle, espaces de Sobolev).

Introduction aux méthodes intégrales et à leur implémentation numérique. Applications aux problèmes de diffraction en régime harmonique.

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Ce cours est destiné à donner aux étudiants des compétences dans le domaine de résolution numérique de l’équation de Schrödinger afin de simuler des structures de puits quantiques complexes. Le cours commence par l’étude de situations où la résolution est analytique, puis des situations où la solution est semi-analytique avant d’attaquer sur la méthode des différences finies DF. Différents schémas de DF sont proposés avec, à chaque fois, une évaluation de la convergence en fonction des différents paramètres clés (troncature du domaine, nombre d’échantillons…). Enfin des exemples d’applications physiques concrètes sont étudiés.    

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Ce cours pose les bases pour se servir des outils de simulation ‘atomistique’, c’est-à-dire reposant sur les interactions microscopiques entre les constituants. Principalement, il pose les fondements pour les simulations dites  ‘Dynamique Moléculaire’ et ‘Monte Carlo’.

Il aborde les notions théoriques sous-jacentes, afin de construire une bonne compréhension des méthodes, ainsi que la mise en place pratique des codes correspondants.

L’exploitation critique  et raisonnée des données est également discutée.

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Cet enseignement constitue une introduction sans prérequis au traitement des images scientifiques, dans le contexte de la physique mais aussi des sciences médicales.

Partant des éléments de base du codage numérique des images, nous introduirons les principales techniques visant d’abord à améliorer la qualité des données images, puis à en extraire des données quantitatives. Déconvolutions, débruitage, puis seuillage, segmentations, transformées de Fourier, ondelettes seront au programme.

Nous terminerons par  les problèmes spécifiques posés par les séquences d’images (films) ou les images 3D telles que les données d’IRM en contexte médical.

L’outil utilisé sera l’environnement de programmation Matlab/Octave.

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Cette unité d’enseignement constitue une introduction à l’intelligence artificielle à destination des physiciens. Elle vise à découvrir des utilisations de l’apprentissage profond au moyen des bibliothèques TensorFlow et Keras. Elle comprend une présentation d’exemples d’utilisation pour la physique.

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Cours TD d’anglais, à l’intention des étudiants de la filière Master 2 Physique et qui visent l’insertion professionnelle en langue anglaise dans un contexte contemporain.

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Ce module est l’occasion pour les étudiants de découvrir les spécificités de monde du travail et de se préparer à l’intégrer dans les meilleures conditions possibles, notamment au travers de partages d’expérience avec des intervenants du milieu professionnel. Les étudiants s’exercent à mener à bien une candidature, avec méthode, en optimisant l’analyse de l’offre, la rédaction ciblée du CV et de la lettre de motivation, la préparation de l’entretien d’embauche (jeux de rôles, simulations).

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Cette unité d’enseignement traite de la résolution des problèmes d’électromagnétisme sur ordinateur. A partir des équations de Maxwell, elle montre comment simuler le comportement des ondes électromagnétiques dans différents milieux. Elle comprend notamment une mise en œuvre détaillée de simulations basées sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD Finite Difference Time Domain).

Une introduction aux problèmes de diffraction en régime harmonique par un obstacle bornée sera donnée pour le cas des ondes scalaires en 2D et 3D.

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Ce module introduit à la pratique avancée de méthodes de simulation atomistique, et de la Dynamique Moléculaire en particulier.

Il comprend ainsi l’élargissement des méthodes déjà acquises, à la fois sur le plan de la Physique (simulations ab initio, théorie de la fonctionnelle de la densité) ainsi qu’au niveau de l’implémentation (optimisation, parallélisation) et de la mise en œuvre (initiation à la pratique des simulations dans un environnement de calcul haute performance).

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Projet tuteuré de 5 ECTS pendant lequel les étudiants travaillent individuellement à l’élaboration d’un logiciel destiné à la recherche et développement et/ou l’enseignement.

Ce projet complète l’expérience acquise lors du projet tuteuré déjà effectué en M1. Cette-fois-ci les étudiants travaillent individuellement ce qui correspond à une expérience différente du projet M1 réalisé en groupe. L’étudiant reçois commande pour réaliser un logiciel répondant à un cahier des charges bien déterminé et doit délivrer un code fonctionnel.   

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Stage M2 de six mois (25 ECTS) effectué au sein d’une entreprise ou d’un organisme public (Laboratoire de recherche, Organisme/Agence nationale…).

Le stage doit porter sur une problématique physique dans laquelle intervient une composante de calcul numérique.  

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