Emergence of disordered collective motion in dense systems of isotropic self-propelled particles - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Emergence of disordered collective motion in dense systems of isotropic self-propelled particles

Émergence de mouvement collectif désordonné dans des systèmes denses de particules auto-propulsées isotropes

Yann-Edwin Keta
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1359066
  • IdRef : 273261312

Résumé

Active matter is a broad class of materials within which individual entities, the active particles, consume energy in order to perform movement. These materials are at the intersection of many distinct fields of research, such as biology, engineering, and physics, and have thus attracted considerable attention. Because of their perpetual consumption of energy, these systems are out of thermodynamic equilibrium. As a consequence they display a wealth of surprising phenomena which challenge our conception of equilibrium phases and dynamics. Among them, collective motion is particularly intriguing and exciting on multiple grounds. First because it emerges in systems with distinct length and time scales, from collections of cells to large crowds, flocks, and swarms, yet with some common characteristics. This thus suggests some sense of universality in the mechanisms leading to different collective behaviours. Second because parts of these motions display signatures shared with other equilibrium phenomena. While the latter are very diverse, ranging from the glass transition to inertial turbulence, these connections mean that a number of concepts and tools are readily available to describe out-of-equilibrium behaviours. Third because the possible applications of the understanding and control of these phenomena are far-reaching: treatment of specific pathologies, design of intelligent materials, crowd management, etc. In this Thesis, we focus on dense active matter, where the movement of individual particles is hindered by crowding effects, and aim to characterise how this competition leads to emerging collective motion. To this effect we use a simple model of two-dimensional isotropic self-propelled particles, namely active Ornstein-Uhlenbeck particles, where the departure from the equilibrium limit is controlled via the persistence time of propulsion forces. Owing to its simplicity, the phenomena described within this model have the potential to apply to a broad range of materials. We broadly map the phase behaviour of this model, from the equilibrium-like regime at small persistence to the to far-from-equilibrium regime at large persistence. We focus our efforts on the latter regime, where velocity correlations were recently shown to emerge. We demonstrate that a disordered liquid phase exists up to very large persistence, if polydispersity frustrates the ordering of the system, and that this persistent liquid displays various manifestations of disordered collective motion. First, we show that persistent systems are dynamically arrested at large packing fraction. Close to dynamical arrest, we find that the liquid displays dynamical heterogeneity similar to equilibrium dense systems. We investigate, in the idealised limit of infinite persistence, the microscopic processes leading to these heterogeneities. Then, away from dynamical arrest, we show that our model displays chaotic advection flows, as typically shown by turbulent systems. We highlight how this specific behaviour may be universal to a broader class of active systems relying on the competition of crowding and persistent forcing. Finally, in monodisperse systems which display long-range order at large packing fraction, we describe the far-from-equilibrium mechanisms leading to structural relaxation.
La matière active est une vaste classe de matériaux au sein desquels chaque entité, les particules actives, consomme de l'énergie pour effectuer un mouvement. Ces matériaux sont à l'intersection de plusieurs champs de recherche distincts, tels que la biologie, l'ingénierie et la physique, et ont donc attiré une attention considérable. En raison de leur consommation perpétuelle d'énergie, ces systèmes sont hors de l'équilibre thermodynamique. En conséquence ils exhibent une myriade de phénomènes surprenants qui défient notre conception des phases et dynamiques à l'équilibre. Parmi eux, le mouvement collectif est particulièrement intriguant et excitant sous plusieurs aspects. Premièrement parce qu'il émerge dans des systèmes aux échelles de longueur et de temps distinctes, des ensembles de cellules aux larges foules, troupeaux et essaims, avec cependant des caractéristiques communes. Cela suggère alors une logique universelle derrière dans les mécanismes à l'origine de ces différents comportements collectifs. Deuxièmement parce que certains de ces mouvements ont des signatures communes avec des phénomènes d'équilibre. Bien que ces derniers soient très divers, allant de la transition vitreuse à la turbulence inertielle, ces connections donnent accès à de nombreux outils et concepts afin de caractériser les comportements hors-équilibre. Troisièmement parce que les applications possibles d'une compréhension fine voire du contrôle de ces phénomènes sont d'une grande portée~: traitement de pathologies spécifiques, conception de matériaux intelligents, gestion des foules, etc. Dans cette Thèse, nous nous concentrons sur la matière active dense, où le mouvement des particules individuelles est entravé par des effets d'encombrement, et cherchons à caractériser comment le mouvement collectif émerge de cette compétition. Pour cela nous utilisons un modèle simple en deux dimensions de particules auto-propulsées isotropes, à savoir des particules d'Ornstein-Uhlenbeck, où l'écart à la limite d'équilibre est contrôlée par le temps de persistance des forces de propulsion. En raison de sa simplicité, les phénomènes décrits pour ce modèle ont le potentiel de s'appliquer à une variété de matériaux. Nous cartographions les phases de ce modèle, du régime proche de l'équilibre à petite persistance au régime loin de l'équilibre à grande persistance. Nous concentrons nos efforts sur ce second régime, là où a été récemment montré l'émergence de corrélations de vitesse. Nous démontrons qu'une phase liquide désordonnée existe à très grande persistance, à condition que la polydispersité frustre l'ordre structurel, et que ce liquide exhibe différentes manifestations de mouvement collectif désordonné. D'abord, nous montrons que les systèmes persistants sont dynamiquement arrêtés à grande densité. Dans le voisinage de l'arrêt dynamique, nous trouvons que le liquide affiche des hétérogénéités dynamiques similaires aux systèmes denses à l'équilibre. Nous examinons, dans une limite idéale de persistance infinie, les processus microscopiques menant à ces hétérogénéités. Ensuite, à distance de l'arrêt dynamique, nous montrons que notre modèle exhibe des écoulements d'advection chaotiques, à l'instar des systèmes turbulents. Nous mettons en exergue comment ce comportement spécifique pourrait être universel au sein d'une classe plus large de systèmes actifs s'appuyant sur une compétition entre l'encombrement et le forçage persistant. Enfin, dans des systèmes monodisperses qui exhibent à grande densité un ordre à longue portée, nous décrivons les mécanismes permettant la relaxation structurelle loin de l'équilibre.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04530690 , version 1 (03-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04530690 , version 1

Citer

Yann-Edwin Keta. Emergence of disordered collective motion in dense systems of isotropic self-propelled particles. Statistical Mechanics [cond-mat.stat-mech]. Université de Montpellier, 2023. English. ⟨NNT : 2023UMONS025⟩. ⟨tel-04530690⟩
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