Laurent J. Lewis
Computational physics of materials
- Professeur titulaire
-
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 de calcul de pointe. Ayant plus de 170 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, où il a fait preuve d’un leadership exceptionnel, et le Complexe des sciences récemment ouvert 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.
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
- Vice-recteur associé (nature et technologie) au 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.
Projects
Research projects
Subvention de déphasage_Centre interuniversitaire de recherche en économie quantitative (CIREQ)
Regroupement québécois sur les matériaux de pointe ( RQMP )
CALCUL QUEBEC
Contribution complémentaire pour le financement de Calcul-Québec
Contribution complémentaire 2015-2016 pour le financement de Calcul-Québec
Compute Canada MSI 2.0
FEI Sans Restriction ISM2 de Calcul Canada/Calcul Québec
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 STRATEGIQUE - REGROUPEMENT QUEBECOIS SUR LES MATERIAUX DE POINTE (RQMP)
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
Physical properties of advanced materials - from the atom to large-scale structures
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
Soumis
- Pierre Carrier, Zheng-Hong Lu, M.W. Chandre Dharma-wardana, Laurent J. Lewis, Core-level spectroscopy of Si/SiO_2 quantum wells: evidence for confined states , Phys. Rev. B, Soumis
- Pierre Carrier, Zheng-Hong Lu, Laurent J. Lewis, M.W. Chandre Dharma-wardana, Role of Interface Suboxide Si Atoms on the Electronic Properties of Si/SiO2 Superlattices , Applied Surface Science, Soumis
- Cristiano L. Dias, Laurent J. Lewis, S. Roorda, Point defects in models of amorphous silicon and their role in structural relaxation,Phys. Rev. Lett., Soumis
- V. Albe and L.J. Lewis, Optical properties of InAs/InP ultrathin quantum wells., Soumis
2003
- Patrick Lorazo, Laurent J. Lewis and Michel Meunier, Short-Pulse Laser Ablation of Solids: From Phase Explosion to Fragmentation , Phys. Rev. Lett. 91, 225502, 2003
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