Offre de thèse
CD - Matière molle magnétique confinée
Date limite de candidature
30-04-2026
Date de début de contrat
01-10-2026
Directeur de thèse
MESSINA René
Encadrement
Le doctorant sera encadré par René Messina et Hervé Mohrbach au sein de l'équipe Matière Molle. Des réunions de travail hebdomadaires permettront d'assurer un suivi scientifique régulier du projet. Le doctorant sera également pleinement intégré aux activités de l'équipe (séminaires, réunions de groupe, discussions scientifiques). Une attention particulière sera portée à l'autonomie progressive du doctorant ainsi qu'au développement de ses compétences en recherche (présentation de résultats, rédaction d'articles scientifiques, participation à des conférences). Les collaborations internationales de l'équipe offriront également un environnement scientifique stimulant et des opportunités d'échanges. Le doctorant bénéficiera par ailleurs des formations proposées par l'école doctorale.
Type de contrat
école doctorale
équipe
contexte
Les systèmes dipolaires constituent un cadre privilégié pour l'étude des interactions anisotropes à longue portée en matière molle. Si de nombreux travaux ont analysé des géométries non confinées ou bidimensionnelles, la compréhension systématique des mécanismes de sélection structurelle sous confinement quasi-unidimensionnel, intégrant simultanément anisotropie dipolaire, volume exclu et effets thermiques, demeure incomplète. En particulier, les effets des champs magnétiques orientables et de la polydispersité, considérés séparément ou conjointement, restent peu explorés dans ces géométries contraignantes. Ce projet vise ainsi à proposer une approche théorique intégrée permettant de clarifier ces questions ouvertes.spécialité
Physiquelaboratoire
LPCT - Laboratoire de Physique et Chimie ThéoriquesMots clés
Particules dipolaires, Confinement quasi-1D, Physique statistique, Transitions structurales
Détail de l'offre
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.
Keywords
Dipolar particles, Quasi-1D confinement, Statistical physics, Structural phase transitions
Subject details
Dimensionality plays a determining role in the phase behavior of dipolar systems and, more broadly, in condensed matter. Magnetic (nano)particles offer the remarkable advantage of being remotely controlled by external fields, opening perspectives ranging from controlled self-assembly to targeted transport in microfluidic and biomedical contexts. This theoretical PhD project aims to explore the fundamental mechanisms of self-organization of dipolar particles under quasi-one-dimensional confinement, as encountered in pores, narrow microfluidic channels, or confined biological environments. The central objective is to understand how the competition between anisotropic dipolar interactions and geometric constraints governs the formation of ordered structures and the associated structural transitions. A first research axis will focus on establishing the phase diagram as a function of the degree of confinement, in the presence of a perpendicular magnetic field. The latter induces effective interactions that are repulsive at long range and attractive at short range. The interplay between anisotropic dipolar interactions and excluded-volume constraints plays a key role in selecting equilibrium structures. This competition is expected to generate a rich variety of structural phases, such as linear chains, zigzag structures, multi-chain states, as well as helicoidal arrangements in cylindrical geometries. Two-dimensional (slit) and three-dimensional (cylindrical pore) geometries will be investigated using analytical approaches for ground states, complemented by numerical simulations (Monte Carlo and molecular dynamics) at finite temperature in order to characterize stability, thermal fluctuations, and mechanisms of collective reorganization. A second research axis will address the role of polydispersity, in particular in binary mixtures. Recent analytical results have shown that even for neutral, non-polar hard spheres, confinement may lead to unexpected forms of structural segregation in the zigzag regime. Extending these findings to the magnetic case, with parallel dipoles under an externally orientable magnetic field, represents a promising and original direction, potentially revealing new mechanisms of self-assembly, and possibly disordered or glassy regimes. By combining analytical theory and numerical exploration, this PhD project aims to contribute to a unified understanding of the effects of dimensionality, interaction anisotropy, and polydispersity in confined dipolar systems. It builds upon the recent work of the soft matter group and benefits from an active international collaboration.
Profil du candidat
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.
Candidate profile
Master's level student (MSc or equivalent) in physics, statistical physics, condensed matter physics or related fields.
Strong background in statistical physics and electromagnetism.
Programming skills in scientific computing (Python, C/C++, Matlab or equivalent) are desirable. Experience with numerical simulations (Monte Carlo or molecular dynamics) would be an advantage.
The candidate is expected to demonstrate autonomy, scientific rigor, and a strong interest in theoretical physics and modeling.
Knowledge of soft matter, colloidal systems or particle-based systems would be appreciated but is not mandatory.
Référence biblio
[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).