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Theses Year : 2021

Synchronization of 2D chiral active matter

Synchronisation de la matière active chirale en 2D

Abstract

Active matter designates a class of out of equilibrium systems made of components spending energy to displace themselves. This dissertation considers the effect of chirality on collectively moving active matter, investigating in particular whether such collective motion can survive `chirality disorder’. To this aim, we study variants of the 2D Vicsek model in which self-propelled particles are endowed with some individual chirality conferring a mean curvature to their trajectories. In addition, whenever possible, corresponding hydrodynamic theories were derived and their solutions investigated. A zero-mean Gaussian distribution of individual chiralities was first examined. The homogeneous ordered phase of the pure Vicsek model was found broken by any amount of chirality disorder, in contrast with the traveling bands of the coexistence phase, which survive a finite amount. Under the effect of chirality disorder these states give place to a vortex phase, which we characterized as resulting from microphase separation. The Gaussian does not allow easily for the derivation of hydrodynamic theories. We thus the considered instead the case of a bimodal chirality distribution still with zero mean. The particle model then display the same phenomenology as in the Gaussian case, except for the emergence of an additional phase of `rotating polar packets’. A hydrodynamic theory derived via a Boltzmann approach was found to account qualitatively for the collective phenomena found at microscopic level: the homogeneous ordered phase is linearly unstable in all its domain of existence, and the `chiral’ phases (vortices and rotating packets) were observed as solutions of the hydrodynamic theory. The case of a unimodal distribution, breaking explicitly global chirality, was also considered. Here again the homogeneous order (rotating) solution is unstable in both the particle model and at hydrodynamic level, whereas the Vicsek bands resist a finite amount of chirality.
La matière active est une classe de systèmes hors-équilibres où les constituants consomment de l'énergie pour affecter leur mouvement. Cette thèse considère l'effet de la chiralité sur les mouvements collectifs dans la matière active, cherchant en particulier à savoir si ces mouvements peuvent résister à un « désordre chiral ». Pour ce faire, des variations du modèle de Vicsek à deux dimensions ont été étudiées, dans lesquelles les particules actives sont dotées d’une chiralité individuelle qui confère une courbure moyenne à leurs trajectoires. Dans les cas où elles étaient accessibles, les théories hydrodynamiques correspondantes ont été dérivées et étudiées. Une distribution gaussienne centrée de chiralité a d’abord été considérée. On a montré que la phase ordonnée homogène du modèle pur était brisée par un désordre arbitrairement faible, contrairement à la phase de bandes qui résiste à un degré fini de chiralité. Sour l’effet du désordre, ces phases laissent place à une phase de vortex que nous avons caractérisée comme résultant d’une séparation en microphases. Le cas gaussien se prêtant mal aux théories hydrodynamiques, nous avons ensuite considéré une distribution bimodale de chiralité facilitant l’approche théorique. Dans ce cas, le modèle particulaire se comporte comme dans le cas gaussien, à l’exception de l’émergence d’une phase supplémentaire de `paquets polaires tournants’. La théorie hydrodynamique dérivée via une approche de type Boltzmann rend compte qualitativement de la phénoménologie microscopique : la phase ordonnée homogène est linéairement instable dans tout son domaine d’existence, et les phases `chirales’ (vortex et paquets tournants) sont des solutions de la théorie. Le cas d’une distribution unimodale, brisant donc explicitement la chiralité globale, a aussi été étudiée. Là encore la phase ordonnée homogène (tournante dans ce cas) est instable tant au niveau particulaire qu’hydrodynamique, alors que les bandes du modèle de Vicsek peuvent résister à une chiralité finie.
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Dates and versions

tel-03559572 , version 1 (07-02-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03559572 , version 1

Cite

Bruno Ventéjou Ventéjou. Synchronization of 2D chiral active matter. Soft Condensed Matter [cond-mat.soft]. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASP134⟩. ⟨tel-03559572⟩
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