Description

La dimensionnalité joue un rôle déterminant dans le comportement collectif des systèmes dipolaires et, plus largement, en matière condensée. Les (nano)particules magnétiques présentent en outre l’avantage remarquable de pouvoir être manipulées à distance au moyen de champs extérieurs, ouvrant des perspectives allant de l’auto-assemblage contrôlé au transport ciblé en microfluidique ou en biomédecine.

Cette thèse théorique propose d’explorer les mécanismes fondamentaux d’auto-organisation de particules dipolaires sous confinement quasi-unidimensionnel, tel que celui rencontré dans des pores, des canaux microfluidiques ou des environnements biologiques contraints. L’objectif central est de comprendre comment la compétition entre interactions dipolaires anisotropes et contraintes géométriques gouverne la formation de structures ordonnées et les transitions structurales associées.

Un premier axe portera sur l’établissement du diagramme structural en fonction du degré de confinement, en présence d’un champ magnétique perpendiculaire. Celui-ci induit des interactions effectives répulsives à longue portée et attractives à courte portée. La compétition entre interactions dipolaires anisotropes et contraintes de volume exclu joue un rôle déterminant dans la sélection des structures d’équilibre. Cette combinaison est susceptible de générer une riche variété de phases structurelles, telles que chaînes linéaires, structures en zigzag, états multi-chaînes, ainsi que des arrangements hélicoïdaux dans les géométries cylindriques. Les géométries bidimensionnelle (fente) et tridimensionnelle (pore cylindrique) seront étudiées à l’aide d’approches analytiques pour les états fondamentaux, complétées par des simulations numériques (Monte Carlo et dynamique moléculaire) à température finie afin de caractériser stabilité, fluctuations thermiques et mécanismes de réorganisation collective.


Un second axe examinera l’effet de la polydispersité, en particulier dans des mélanges binaires. Des travaux récents ont montré que, même pour des sphères dures apolaires, le confinement peut conduire à des formes inattendues de ségrégation structurale en phase zigzag. L’extension au cas magnétique, avec dipôles parallèles sous champ externe orientable, constitue un enjeu original susceptible de révéler de nouveaux mécanismes d’auto-organisation collective, voire des régimes désordonnés ou vitreux.

En combinant théorie analytique et exploration numérique, cette thèse ambitionne de contribuer à une compréhension unifiée des effets de la dimensionnalité, de l’anisotropie des interactions et de la polydispersité dans les systèmes dipolaires confinés. Elle s’inscrit dans la continuité des travaux récents de l’équipe en matière molle et bénéficie d’une collaboration internationale active.

Compétences requises

Étudiant(e) en Master 2 ou dernière année d’école d’ingénieur en physique, physique statistique, matière condensée ou domaines proches. Solides bases en physique statistique et en électromagnétisme. Des compétences en programmation scientifique (Python, C/C++, Matlab ou équivalent) sont souhaitées. Une expérience en simulations numériques (Monte Carlo ou dynamique moléculaire) serait un plus. Le/la candidat(e) devra faire preuve d’autonomie, de rigueur scientifique et d’un fort intérêt pour la physique théorique et la modélisation. Des connaissances en matière molle, colloïdes ou systèmes de particules seraient appréciées mais non obligatoires.

Bibliographie

[1] G. T. Pickett, M. Gross, and H. Okuyama, Phys. Rev. Lett. 85, 3652 (2000).

[2] A. Mourad, H. Mohrbach and R. Messina, Europhys. Lett. 143, 67001 (2023).

[3] Y. Duan, Z. Gan, H. Mohrbach, H.-K. Chan, and R. Messina, J. Chem. Phys. 164, 064905 (2026).

Mots clés

Particules dipolaires, Confinement quasi-1D, Physique statistique, Transitions structurales