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Natural Sciences and Engineering; Engineering

Laurent J. Lewis

Computational physics of materials

Professeur émérite

Faculté des arts et des sciences - Département de physique

Complexe des sciences, room B-4411

514 343-7721

laurent.lewis@umontreal.ca

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.

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)

2019

Modélisation de la structure du silicium amorphe à l’aide d’algorithmes d’apprentissage profond

Graduate : Comin, Massimiliano
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
2018

Simulation et analyse modale du transport de chaleur dans les réseaux à dimensionnalité réduite

Graduate : Gill-Comeau, Maxime
Cycle : Doctoral
Grade : Ph. D.
2011

Étude de la coalescence de nanogouttelettes par dynamique moléculaire

Graduate : Pothier, Jean-Christophe
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
2007

Effet des contraintes élastiques sur la cinétique de séparation de phases dans les alliages

Graduate : Perez, Danny
Cycle : Doctoral
Grade : Ph. D.
2005

Étude théorique des propriétés structurales et électroniques de l'alliage GaAsN

Graduate : Madini, Nassima
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.
2003

Étude dynamique et à l'équilibre de la formation spontanée de réseaux stables d'îlots contraints

Graduate : Thibault, Pierre
Cycle : Master's
Grade : M. Sc.

Projects

Research projects

2019 - 2023

Regroupement québécois sur les matériaux de pointe ( RQMP )

Lead researcher : François Schiettekatte
Funding sources: FRQNT/Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies (FQRNT)
Grant programs: PVXXXXXX-(RS) Programme de regroupements stratégiques
2017 - 2023

FEI Sans Restriction ISM2 de Calcul Canada/Calcul Québec

Lead researcher : Paul Charbonneau , Laurent J. Lewis , Luc Stafford
Funding sources: Université de Montréal
Grant programs:
2015 - 2023

Contribution complémentaire 2015-2016 pour le financement de Calcul-Québec

Lead researcher : Paul Charbonneau , Timothée Poisot
Co-researchers : Laurent J. Lewis , Marc Parizeau , Nikolas Provatas , Pierre-Étienne Jacques
Funding sources: FRQSC/Fonds de recherche du Québec - Société et culture (FQRSC)
Grant programs: PVXXXXXX-Subvention générale et projets spéciaux (non partageable au prorata)
2015 - 2023

Contribution complémentaire pour le financement de Calcul-Québec

Lead researcher : Paul Charbonneau , Timothée Poisot
Co-researchers : Laurent J. Lewis , Marc Parizeau , Nikolas Provatas , Pierre-Étienne Jacques
Funding sources: FRQS/Fonds de recherche du Québec - Santé (FRSQ)
Grant programs: PVXXXXXX-Regroupement stratégique
2015 - 2023

CALCUL QUEBEC

Co-researchers : Jesse Shapiro , Mohamed Hijri , Daniel Sinnett , Mark E. Samuels , Laurent J. Lewis , Normand Mousseau , Anne Bruneau , Georges Michaud , François Schiettekatte , Rémy Sauvé , Michel Côté , Pierre-Louis Bellec , Damian Labuda , Jacques Drouin , Louis Jean Dubé , Guy Dumas , Marc Parizeau , Louis Pérusse , Alain De Champlain , Daniel Reinharz , Hugo Martel , Christian Gagné , Arnaud Droit , Frédéric Maps , R Platt , Alan C Evans , W Robert J Funnell , Hong Guo , Victoria Kaspi , Sang Yong Jeon , Nikolas Provatas , Russell Davidson , Jackalyn Marie Vogel , Nicolas Moitessier , Guy Moore , Sivakumaran Nadarajah , Abdelkader Baggag , Erica Moodie , Jacek A. Majewski , Andrew Piper , Luc Mongeau , Guillaume Bourque , Stefan Sinclair , Daniel Joseph Kirshbaum , Jun Song , Brigitte Jaumard , Jean-Yves Trépanier , François Guibault , François Bertrand , Alain Rochefort , Frédéric Sirois , Éric Laurendeau , Georges Dionne , Wagdi Habashi , G. Peslherbe , Thomas Fevens , Marius Paraschivoiu , Ali Dolatabadi , André Dieter Bandrauk , André-Marie Tremblay , Pierre Proulx , Noureddine Atalla , David Sénéchal , Armand Soldera , Kalifa Goïta , Alexandre Blais , Claude Legault , Stéphane Moreau , Hugo Larochelle , Pierre-Étienne Jacques , Gabriel Crainic , René Laprise , Pierre Gauthier , Laxmi Sushama , Simon Guillotte , Adam Skorek , Patrizio Antici , Dany Dumont , François Vidal , Jannette Frandsen , Lorne Archie Nelson , Martin Aube , Leandro Coelho , Marie-Jean Meurs
Funding sources: FRQNT/Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies (FQRNT)
Grant programs: PVXXXXXX-(RS) Programme de regroupements stratégiques
2017 - 2022

Compute Canada MSI 2.0

Lead researcher : Robbin Tourangeau
Co-researchers : Laurent J. Lewis
Funding sources: FCI/Fondation canadienne pour l'innovation
Grant programs: PVXXXXXX-Initiatives scientifiques majeures
2016 - 2022

PORTION SALAIRE-NSERC/Hydro-Québec Industrial Chair in Phytotechnology

Lead researcher : Laurent J. Lewis , Tania Saba , Frédéric Bouchard
Co-researchers : Jacques Brisson
Funding sources: CRSNG/Conseil de recherches en sciences naturelles et génie du Canada (CRSNG) , IRBV/Institut de recherche en biologie végétale , CRSNG/Conseil de recherches en sciences naturelles et génie du Canada (CRSNG)
Grant programs: PVX20971-(PCI) Professeurs-chercheurs industriels-Chaire de recherche industrielle , , PVX20971-(PCI) Professeurs-chercheurs industriels-Chaire de recherche industrielle
2015 - 2022

PHYSICAL PROPERTIES OF MATERIALS AT THE NANOSCALE

Lead researcher : Laurent J. Lewis
Funding sources: CRSNG/Conseil de recherches en sciences naturelles et génie du Canada (CRSNG)
Grant programs: PVX20965-(RGP) Programme de subvention à la découverte individuelle ou de groupe
2018 - 2020

Contribution ponctuelle pour le financement de Calcul Québec

Lead researcher : Timothée Poisot , Marie-Jean Meurs
Co-researchers : Paul Charbonneau , Laurent J. Lewis , Marc Parizeau , Nikolas Provatas , Pierre-Étienne Jacques
Funding sources: FRQNT/Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies (FQRNT)
Grant programs: PVXXXXXX-Plateforme Calcul Québec (financement partagé entre les fonds de recherche du Québec)
2018 - 2020

Convention de subvention 2018-2020 avec le MEI pour le soutien des activités de Calcul Québec

Lead researcher : Timothée Poisot
Co-researchers : Laurent J. Lewis , Marc Parizeau , Nikolas Provatas , Pierre-Étienne Jacques
Funding sources: Ministère Économie et Innovation
Grant programs: PVXXXXXX-Soutien aux organismes de recherche et innovation (PSO) - Volet 2: Soutien aux projets
2017 - 2018

Convention de subvention 2016-2018 pour le soutien du MESI aux activités de Calcul Québec pour l'année 2017-2018

Lead researcher : Timothée Poisot
Co-researchers : Laurent J. Lewis , Marc Parizeau , Nikolas Provatas , Pierre-Étienne Jacques
Funding sources: Ministère Économie et Innovation
Grant programs: PVXXXXXX-Prog. soutien rech (PSR v1): Soutien à des projets de recherche
2016 - 2017

Pôle d'Analyse et Visualisation de l'Information Climatique et Scientifique _PAVICS )programme Logiciels de recherche de CANARIE)

Lead researcher : Timothée Poisot
Co-researchers : Laurent J. Lewis
Funding sources: Ouranos, Consortium sur la climatologie régionale et l'adaptation aux changements climatiques
Grant programs:
2009 - 2016

REGROUPEMENT QUEBECOIS SUR LES MATERIAUX DE POINTE - RQMP

Lead researcher : Sjoerd Roorda
Funding sources: FRQNT/Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies (FQRNT)
Grant programs: PVXXXXXX-(RS) Programme de regroupements stratégiques
2009 - 2016

REGROUPEMENT STRATEGIQUE - REGROUPEMENT QUEBECOIS SUR LES MATERIAUX DE POINTE (RQMP)

Lead researcher : Sjoerd Roorda
Funding sources: FRQNT/Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies (FQRNT)
Grant programs: PVXXXXXX-(RS) Programme de regroupements stratégiques
1994 - 2016

PHYSICAL PROPERTIES OF ADVANCES MATERIALS - FROM THE ATOM TO LARGE-SCALE STRUCTURES

Lead researcher : Laurent J. Lewis
Funding sources: CRSNG/Conseil de recherches en sciences naturelles et génie du Canada (CRSNG)
Grant programs: PVX20965-(RGP) Programme de subvention à la découverte individuelle ou de groupe
2003 - 2015

FCI : FONDS D'EXPLOITATION DES INFRASTRUCTURES / RECHERCHE EN PHYSIQUE

Lead researcher : Laurent J. Lewis
Funding sources: FCI/Fondation canadienne pour l'innovation
Grant programs:

Outreach

Highlights

Mise en valeur d’une recherche

2004

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. HarbourD. 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. DagenaisL.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. DagenaisL.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-ComeauR. 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 eects, 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 liquidsinvited 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 applicationsinvited 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-LemireL.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