Laurent J. Lewis
Computational physics of materials
- Professeur émérite
-
Faculté des arts et des sciences - Département de physique
Complexe des sciences, room B-4411
Profile
Research expertise
My research program examines the general theme of computational physics of materials. We use powerful computers to probe the structural and other behaviour and properties of materials, and the "structure-function" relationship. Our preferred approach is molecular dynamics, which involves integrating the equations of motion of a system of atoms under the effect of forces from "potentials"; they may be generic (Lennard-Jones, for instance), empirical or semi-empirical, or even ab initio. The size of the systems depends on the potential used and varies from tens or hundreds of atoms to several million.
We study a vast range of problems, but we are particularly interested in the following ones, just as an example: (i) laser ablation and laser-material interactions; in this case we are trying to understand how matter reacts to powerful, short laser pulses - ejection mechanisms, structural modifications of the target, properties of the ablation plume, etc. (ii) disordered, amorphous or vitreous materials; in this field, we are trying to understand the short-, medium- and long-term structure of materials like amorphous silicon, metallic glass, etc. (iii) thermal properties of nanoscopic materials; we are trying to determine how heat dissipates near nanometric structures and how it moves in molecular junctions between nanoparticles, in particular.
Biography
Titulaire d’un doctorat de l’Université McGill et d’un postdoctorat de l’Université Cornell, Laurent Lewis est professeur titulaire au Département de physique. Pionnier de la modélisation numérique, il a été le directeur fondateur du Réseau québécois de calcul de haute performance et du consortium Calcul haute performance Québec (maintenant Calcul Québec). À ce titre, il a piloté plusieurs importantes demandes de subventions qui ont permis aux chercheurs d’obtenir des installations et des services de calcul de pointe. Ayant près de 180 publications scientifiques à son actif, il s’intéresse à divers problèmes en physique de la matière condensée et des matériaux, qu’il aborde au moyen de méthodes numériques (dynamique moléculaire, Monte Carlo et plus récemment apprentissage machine).
Il possède par ailleurs une vaste expérience en gestion universitaire: il a été directeur du Département de physique (2001-2007) et vice-doyen à la recherche et à la création à la Faculté des arts et des sciences (2008-2017), en plus d’avoir siégé à de nombreux comités facultaires et universitaires. Ses fonctions de vice-doyen l’ont amené à travailler à plusieurs grands projets structurants pour l’Université de Montréal, dont le projet Apogée en science des données (IVADO), où il a fait preuve d’un leadership exceptionnel, et le Complexe des sciences ouvert en 2020 au campus MIL, dont il a rédigé le devis relatif aux besoins en enseignement et en recherche. À titre de vice-recteur associé à la recherche (2017-2020), il a été responsable de plusieurs grandes initiatives universitaires, notamment les Chaires de recherche du Canada, la Chaire d'excellence en recherche du Canada et plusieurs projets de la Fondation canadienne pour l'innovation. Il a également été responsable de la mise en place du grand projet Construire l'avenir durablement du Laboratoire d'innovation.
Le professeur Lewis est à la retraite depuis le 1er janvier 2022 et a été nommé professeur émérite par le Conseil de l'Université le 25 avril 2022.
Awards and recognitions
Professeur émérite depuis le 25 avril 2022.
For more information…
- 24-10-2017 - Nominations au Vice-rectorat à la recherche, à la découverte, à la création et à l’innovation
- 21-12-2017 - L'Université de Montréal: une histoire de familles
- 09-02-1998 - Laurent J. Lewis invité par la Materials Research Society
- 12-03-2018 Il faut faire plus de place aux femmes en recherche
- 15-05-2019 L’Université de Montréal félicite ses chercheurs
- 17-01-2005 L'UNESCO fait de 2005 l'année internationale de la physique
Affiliations and responsabilities
Research affiliations
University service and activities
Administrative responsibilities
- 2001-2007: Directeur du Département de physique
- 2008-2017: Vice-doyen à la recherche et à la création, Faculté des arts et des sciences
- 2017-2020: Vice-recteur associé (nature et technologie), Vice-rectorat à la recherche, à la découverte, à la création et à l’innovation de l'UdeM
Teaching and supervision
Student supervision
Theses and dissertation supervision (Papyrus Institutional Repository)
Modélisation de la structure du silicium amorphe à l’aide d’algorithmes d’apprentissage profond
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
Modèle du pseudo-atome neutre pour l'étude de métaux simples dans le régime de la matière dense et chaude à deux températures
Cycle : Doctoral
Grade : Ph. D.
Simulation et analyse modale du transport de chaleur dans les réseaux à dimensionnalité réduite
Cycle : Doctoral
Grade : Ph. D.
Ablation laser femtoseconde de verres métalliques de Cu_x Zr_(1−x) : une étude par dynamique moléculaire
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
Étude par dynamique moléculaire de l'ablation par impulsions laser ultrabrèves de cibles nanocristallines
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
Étude de la coalescence de nanogouttelettes par dynamique moléculaire
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
Étude théorique des mécanismes de transfert d'énergie suivant le passage d'un ion rapide sans un matériau
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
Étude en dynamique moléculaire par approximation des liaisons fortes de l'influence des défauts ponctuels dans la relaxation du silicium amorphe
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
Effet des contraintes élastiques sur la cinétique de séparation de phases dans les alliages
Cycle : Doctoral
Grade : Ph. D.
Étude des propriétés vibrationnelles à basse fréquence des matériaux nanocristallins à l'aide de la dynamique moléculaire
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
Modélisation par éléments finis de la micro-indentation du tube pollinique : rôles de paramètres géométriques
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
Étude théorique des propriétés structurales et électroniques de l'alliage GaAsN
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
Étude dynamique et à l'équilibre de la formation spontanée de réseaux stables d'îlots contraints
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
Étude des mécanismes d'ablation laser par impulsions ultra-courtes à l'aide de la dynamique moléculaire
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
Influence des défauts ponctuels sur la relaxation du silicium amorphe
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
Projects
Research projects
Regroupement québécois sur les matériaux de pointe ( RQMP )
FEI Sans Restriction ISM2 de Calcul Canada/Calcul Québec
Contribution complémentaire 2015-2016 pour le financement de Calcul-Québec
Contribution complémentaire pour le financement de Calcul-Québec
CALCUL QUEBEC
Compute Canada MSI 2.0
PORTION SALAIRE-NSERC/Hydro-Québec Industrial Chair in Phytotechnology
PHYSICAL PROPERTIES OF MATERIALS AT THE NANOSCALE
Contribution ponctuelle pour le financement de Calcul Québec
Convention de subvention 2018-2020 avec le MEI pour le soutien des activités de Calcul Québec
Convention de subvention 2016-2018 pour le soutien du MESI aux activités de Calcul Québec pour l'année 2017-2018
Pôle d'Analyse et Visualisation de l'Information Climatique et Scientifique _PAVICS )programme Logiciels de recherche de CANARIE)
REGROUPEMENT QUEBECOIS SUR LES MATERIAUX DE POINTE - RQMP
REGROUPEMENT STRATEGIQUE - REGROUPEMENT QUEBECOIS SUR LES MATERIAUX DE POINTE (RQMP)
PHYSICAL PROPERTIES OF ADVANCES MATERIALS - FROM THE ATOM TO LARGE-SCALE STRUCTURES
FCI : FONDS D'EXPLOITATION DES INFRASTRUCTURES / RECHERCHE EN PHYSIQUE
Outreach
Highlights
Mise en valeur d’une recherche
Fabriquer des nanomatériaux atome par atome
Il est possible aujourd'hui de construire de nouveaux matériaux, atome par atome; le calcul numérique permet de les modéliser pour en obtenir une description réaliste et pour prédire leur comportement.
Fabriquer de petits instruments
Le Pr Lewis et son équipe ont récemment jeté un éclairage nouveau sur un phénomène connu, mais encore mal compris, celui de l'ablation par impulsions laser ultra-brèves. Le procédé consiste à illuminer une cible avec un faisceau laser intense de très courte durée, de l'ordre de la picoseconde, soit un millionième de millionième de seconde! On observe alors l'éjection de particules variant du nanomètre (un millionième de millimètre) au micron (un millième de millimètre). Ce procédé présente l'avantage, par rapport aux impulsions plus longues, de limiter les dommages causés à la cible, d'où l'intérêt pour le micro-usinage, c'est-à-dire la fabrication de très petits instruments.
Le Pr Laurent Lewis, le Pr Michel Meunier de l'École polytechnique et leurs étudiants Danny Perez et Patrick Lorazo ont montré que, pour des impulsions durant une fraction de picoseconde, le matériau se désintègre par « explosion de phase » : de petites bulles de gaz se forment et le matériau éclate sous la pression, libérant ainsi de petites particules. Par contre, pour des impulsions plus longues, quelques dizaines de picosecondes ou plus, la cible est déchirée, un peu comme une pellicule de plastique que l'on étirerait dans tous les sens. Bien qu'ils soient fondamentaux, ces travaux permettront un jour de réaliser de petits « robots » dont les bénéfices se feront sentir dans toutes les sphères d'activité.
La balade des atomes
Laurent J. Lewis s'intéresse à plusieurs aspects du comportement des atomes dans la matière, notamment ceux des nanoagrégats, ces petites boules de matière dont les atomes se comptent par centaines ou par milliers : « Nous les fabriquons et les déposons ensuite sur les surfaces pour en observer le comportement, explique-t-il. Nous voulons savoir comment ces agrégats, telles de petites billes, vont se balader, s'agglutiner et former de nouvelles structures, parfois très complexes et donc nécessairement intéressantes! »
Certains matériaux sont bien connus, comme le silicium (Si) qui est très largement utilisé dans la fabrication de dispositifs électroniques. D'autres le sont moins mais sont promis à un brillant avenir. Des agrégats d'arseniure de gallium (GaAs), par exemple, peuvent être déposés sur des surfaces de silicium (Si). Les chercheurs veulent comprendre comment ils se déplacent, se mélangent, bougent. Est-ce qu'ils sautent ou glissent? Sont-ils retenus ou au contraire repoussés par les défauts? « Nous avons déjà constaté avec surprise que ces agrégats se déplacent beaucoup plus rapidement que nous ne l'avions soupçonné : leur vitesse peut être semblable à celle des atomes, explique Laurent J. Lewis. Les défauts de surface affectent fortement leurs déplacements, ce qui nous suggère des façons de les contrôler et donc de fabriquer de nouvelles structures au potentiel technologique intéressant. On pense ici à la fabrication de réseaux de points quantiques qui pourraient être utilisés dans les nouvelles technologies laser. »
Publications and presentations
Publications
Laurent J. Lewis – Publications (depuis 2010)
Les noms soulignés sont ceux des étudiants et stagiaires postdoctoraux travaillant sous ma direction; conformément à la pratique dans mon domaine, leurs noms sont placés en premier. Certains étudiants étaient en codirection; dans la plupart des cas, j’assumais la tâche de « directeur principal ».
Names underlined are those of students or PDFs working under my supervision. As is normal practice in my field, their names are listed first. Some students were co-supervised; in most cases, I was the main supervisor.
Statistiques – Google Scholar (en date du 25 janvier 2022) : 6815 citations, indice h = 39
Articles dans des revues avec comité de lecture – Articles in peer-reviewed journals
Articles réguliers – Regular articles
1. M. Comin and L.J. Lewis, 2019, Deep-learning approach to the structure of amorphous silicon, Phys. Rev. B, 100, 094107/1-11.
2. M. Gill-Comeau and L.J. Lewis, 2018, Molecular dynamics study of relaxons in the Fermi-Pasta-Ulam-β model, Phys. Rev. B 97, 245413/1-11.
3. L. Harbour, D. Förster, M. W. C. Dharma-wardana, and L. J. Lewis, 2018, Dynamic structure factor, ion acoustic modes and equation of state of two-temperature warm dense aluminum, Phys. Rev. E. 97, 043210/1-10.
4. D. Förster and L.J. Lewis, 2018, Numerical study of double-pulse laser ablation in Al, Phys. Rev. B 97, 224301/1-17.
5. M.W.C. Dharma-wardana, D.D. Klug, L. Harbour, and L.J. Lewis, 2017, Isochoric, isobaric and ultrafast conductivities of aluminum, lithium and carbon in the warm dense matter regime, Phys. Rev. E 96, 053206/1-15.
6. L. Harbour, M.W.C. Dharma-wardana, D.D. Klug and L.J. Lewis, 2017, Equation of state, phonons, and lattice stability of ultra-fast warm dense matter, Phys. Rev. E 95, 043201/1-11.
7. L. Harbour, M.W.C. Dharma-wardana, D.D. Klug and L.J. Lewis, 2016, Pair potentials for warm dense matter and their application to x-ray Thomson scattering in aluminum and beryllium, Phys. Rev. E 94, 053211/1-11.
8. L. Harbour, M.W.C. Dharma-wardana, D.D. Klug and L.J. Lewis, 2015, Two-Temperature Pair Potentials and Phonon Spectra for Simple Metals in the Warm Dense Matter Regime, Contrib. Plasma Phys. 55, 144-151.
9. M. Gill-Comeau and L.J. Lewis, 2015, Heat conductivity in graphene and graphite, Phys. Rev. B, 92, 195404/1-13.
10. P. Dagenais, L.J. Lewis, and S. Roorda, 2015, Understanding subtle changes in medium-range order in amorphous silicon, J. Phys. Cond. Mat. 27, 295801/1-6.
11. P. Dagenais, L.J. Lewis, and S. Roorda, 2015, Dominant structural defects in amorphous silicon, J. Phys. Cond. Mat. 27, 345004/1-9.
12. S. Marinier and L.J. Lewis, 2015, Femtosecond laser ablation of CuxZr1-x bulk metallic glasses: a molecular-dynamics study, Phys. Rev. B 92, 184108.
13. N. Tsakiris, K.K. Anoop, G. Ausanio, M. Gill-Comeau, R. Bruzzese, S. Amoruso, and L.J. Lewis, 2014,Ultrashort laser ablation of bulk metallic targets: dynamics and size distribution of the generated nanoparticles, Journal of Applied Physics 115, 243301/1-10.
14. M. Gill-Comeau and L.J. Lewis, 2014, Cross-correlations between phonon modes in anharmonic oscillator chains: role in heat transport, Phys. Rev. E 89, 042114/1-10.
15. N. Tsakiris and L.J. Lewis, 2013, Phase diagram of aluminum from EAM potentials , Europhys. J. B 86,313/1-4.
16. J.-C. Pothier and L.J. Lewis, 2012, Molecular-dynamics study of the viscous to inertial crossover in nanodroplet coalescence, Phys. Rev. B 85, 115447/1-10.
17. M. Gill-Comeau and L.J. Lewis, 2011, Ultrashort-pulse laser ablation of nanocrystalline aluminum, Phys. Rev. B 84, 224110/1-16.
18. S. Merabia, J.-L. Barrat, and L.J. Lewis, 2011, Heat conduction across molecular junctions between nanoparticles, J. Chem. Phys 134, 234707/1-6.
19. A. Kerrache, N. Mousseau, L.J. Lewis, 2011, Crystallization of amorphous silicon induced by shear deformations, Phys. Rev. B 84, 014110/1-7.
20. A. Kerrache, N. Mousseau, L.J. Lewis, 2011, Amorphous silicon under mechanical shear deformations: shear velocity and temperature effects, Phys. Rev. B 83, 134122/1-10.
21. J.-C. Pothier, F. Schiettekatte, and L.J. Lewis, 2011 Damage in amorphous silicon following high-energy ion implantation: A molecular-dynamics study, Phys. Rev. B 83, 235206/1-9.
Lettres, notes et communications – Letters, notes and communications
98. M. Gill-Comeau and L.J. Lewis, 2015, On the importance of collective excitations for thermal transport in graphene, Appl. Phys. Lett. 106, 193104/1-4.
99. L.K. Béland, Y. Anahory, D. Smeets, M. Guihard, P. Brommer, J.-F. Joly, J.-C. Pothier, L.J. Lewis, N. Mousseau, and F. Schiettekatte, 2013, Replenish and relax: explaining logarithmic annealing in disordered materials, Phys. Rev. Lett. 111, 105502/1-5.
100. S. Roorda and L.J. Lewis, 2012, Comment on “The local structure of amorphous silicon”, Science 338, 1539.
Autres contributions avec comité de lecture – Other peer-reviewed contributions
Articles de synthèse – Review articles
129. L.J. Lewis, 2022, Fifty years of amorphous silicon models : the end of the story?, Journal of Non-Crystalline Solids 580, 121383/1-37.
130. L.J. Lewis and D. Perez, 2012, Computer models of laser ablation in liquids, invited review article (book chapter) for Laser Ablation in Liquids: Principles, Methods and Applications in Nanomaterials Preparation and Nanostructures Fabrication, edited by G. W. Yang, Pan Stanford Publishing, p. 111-155.
131. L.J. Lewis and D. Perez, 2010, Theory and simulation of laser ablation – from basic mechanisms to applications, invited review article (book chapter) for Laser Precision Microfabrication, edited by K. Sugioka, M. Meunier and A. Piqué, Springer, Berlin, Springer Series in Materials Science, vol. 135, p. 35-61.
Comptes rendus de conférence – Conference proceedings
138. L. Harbour, M.W.C. Dharma-wardana, D. Klug, L.J. Lewis, 2014, Two-temperature pair potentials and phonon spectra for simple metals in the warm dense matter regime, in preparation (Strongly-Coupled Coulomb Systems 2014 conference, Santa Fe, New Mexico, July 2014).
139. C. C. Chenard-Lemire, L.J. Lewis, and M. Meunier, 2012, Laser-induced Coulomb explosion in C and Si nanoclusters: the determining role of pulse duration, Appl. Surf. Sci. 258, 9404-9407 (Proceedings of E-MRS 2011).
Disciplines
- Physics
- Physical Engineering
- Material Engineering and Metallurgic Engineering
Areas of expertise
- Numerical simulation
- Materials science
- Computational techniques, simulation
- Amorphous semiconductors, metals, and alloys
- Disordered solids
- Glasses
- Laser-beam impact phenomena
- Molecular dynamics and particle methods
- Nanoscale materials and structures: fabrication and characterization
- Thermal properties of small particles, nanocrystals, nanotubes and other related systems