Recherches visant à améliorer les techniques de traitement en radio-oncologie et les techniques d'imagerie en radiologie et en médecine nucléaire. La présence d'équipements spécialisés dans les départements cliniques (accélérateurs linéaires, tomodensitomètre, tomographe à émission de positrons, salles de curiethérapie) permet de développer des projets dont l'application clinique est souvent directe.

Dirige un groupe de recherche constitué d'étudiants gradués ainsi que de stagiaires du département de physique et de l’école Polytechnique. Les étudiants sont basés au département de radio-oncologie et au CRCHUM et côtoient régulièrement le personnel clinique c’est-à-dire les physiciens cliniques, les médecins et les technologues.

Le cycle d'activité magnétique du Soleil est à la fois le moteur et la source d'énergie de tous les phénomènes éruptifs ayant des impacts sur la Terre, que ce soit au niveau de la météo spatiale, des dommages aux infrastructures technologiques, ou de l'influence possible sur les variations à long terme du climat. Les travaux de recherche de Paul Charbonneau et de son groupe visent, entre autres, à améliorer notre compréhension des mécanismes physiques à l'origine de ce cycle magnétique, et des importantes fluctuations observées dans son amplitude et sa durée. Le principe physique unificateur sous-jacent à tous les phénomènes qui sont modélisés est l'interaction non linéaire entre le champ magnétique du Soleil et les écoulements fluides présents dans ses couches extérieures.

Paul Charbonneau et son équipe ont récemment réussi une grande première mondiale, soit la mise au point d'une simulation numérique magnétohydrodynamique de la convection solaire produisant un champ magnétique aux grandes échelles spatiales, et dont l'évolution spatiotemporelle ressemble en bien des points au cycle solaire. Ceci inclut, en particulier, des inversions régulières de la polarité magnétique sur une échelle multi-décennale. Des approches novatrices à l'étude des effets structurants du champ magnétique solaire permettent maintenant d'envisager le couplage des modèles du cycle d'activité à ceux décrivant les variations de l'irradiance spectrale et de la luminosité solaire au cours du cycle d'activité, étape essentielle dans le but de mieux comprendre le rôle possible de l'activité solaire dans le changement climatique.

• Dynamique des protéines dans divers environnements.

Mon programme de recherche s'inscrit dans la thématique générale de la physique numérique des matériaux. Ainsi, nous utilisons de puissants calculateurs pour sonder le comportement et les propriétés des matériaux, notamment structurales, et la relation « structure-fonction ». L'approche que nous privilégions est la dynamique moléculaire, qui consiste à intégrer les équations du mouvement d'un système d'atomes sous l'effet de forces issues de « potentiels »; ceux-ci peuvent être génériques (Lennard-Jones, par exemple), empiriques ou semi-empiriques, ou même ab initio. La taille des systèmes varie selon le potentiel utilisé, de quelques dizaines ou centaines à plusieurs millions d'atomes.

La gamme de problèmes que nous étudions est vaste, mais nous avons un intérêt particulier pour les suivants (liste non exhaustive) : (i) Ablation laser et interactions laser-matière; il s'agit ici de comprendre comment la matière réagit à de puissantes et brèves impulsions laser - mécanismes d'éjection, modifications structurales de la cible, propriétés de la plume d'ablation. etc. (ii) Matériaux désordonnés, amorphes ou vitreux; dans ce domaine, nous cherchons à comprendre la structure à courte, moyenne et longue portée de matériaux tels que le silicium amorphe, les verres métalliques, etc. (iii) Comportement thermique des matériaux nanoscopiques; on cherche ici à savoir comment la chaleur se dissipe au voisinage de structures de tailles nanométrique et comment celle-ci se déplace dans des jonctions moléculaires entre nanoparticules, notamment.

Mes travaux portent sur l'étude numérique du comportement de la matière au niveau atomique. Ainsi, je m'intéresse à la dynamique d'assemblage de protéines en des structures neurotoxiques associées avec des maladies dégénératives telles que les maladies d'Alzheimer et de Parkinson. J'étudie également la formation de nanostructures, tels que l'assemblage de nanofils de silicium sous une goutte d'or ainsi que la relaxation de systèmes désordonnés tels que les verres et les matériaux amorphes. Tous ces systèmes sont caractérisés par une évolution au niveau atomique sur des temps longs, c'est à dire des secondes ou plus. Pour parvenir à suivre cette évolution, je travaille donc également au développement d'algorithmes accélérés qui permettent de suivre le mouvement atomique sur des temps expérimentaux. Les algorithmes développés dans mon groupe sont parmi les plus efficaces aux mondes, ce qui nous permet d'étudier des phénomènes difficilement accessibles autrement.

Je m'intéresse également aux questions énergétiques et de ressources naturelles, du gaz de schiste et du pétrole aux ressources minières. J'ai publié plusieurs livres grand public sur le sujet et j'ai dirigé quelques travaux d'étudiants sur le sujet.

J'animait également l'émission de vulgarisation scientifique La Grande Équation, diffusé à Radio Ville-Marie.