Jamming and glass transition in mean-field theories and beyond

par Ada Altieri

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Silvio Franz et de Giorgio Parisi.

Le président du jury était Enzo Marinari.

Le jury était composé de Silvio Franz, Giorgio Parisi, Enzo Marinari, Irene Giardina, Giulio Biroli, Guilhem Semerjian.

Les rapporteurs étaient Grzegorz Szamel, Patrick Charbonneau.

  • Titre traduit

    Transition vitreuse et de jamming en théories de champ moyen et au-delà


  • Résumé

    La description détaillée des systèmes désordonnés et vitreux représente un défi central en physique statistique et de la matière condensée, puisqu'à ce jour il n'existe pas de théorie unique et établie permettant de comprendre ces systèmes, pourtant omniprésents.Ce travail de recherche est lié en particulier à l'étude des matériaux vitreux à basse température. Plus précisément, si l'on considère des systèmes formés par un ensemble de particules athermiques avec des interactions répulsives de portée finie, en augmentant la densité, on peut observer une transition dite d'encombrement ("jamming"). Celle-ci consiste en un blocage des degrés de liberté accompagné par une augmentation spectaculaire de la rigidité du matériau.Nous étudierons ce problème à l’aide d’une analogie formelle entre des modèles de sphères et le perceptron, un modèle théorique qui développe une transition d'encombrement et des phénomènes de frustration typiques des systèmes désordonnés.En tant que modèle en champ moyen, il permet d'obtenir des résultats analytiques précis et généralisables à des systèmes à haute dimension.L'enjeu majeur de cette étude est de reconstruire le spectre des modes de vibration et toutes les propriétés pertinentes d'une phase spécifique (correspondant au régime dit des sphères dures).Dans ce cadre, nous dériverons le potentiel effectif en fonction des paramètres d'ordre du modèle et nous montrerons qu'il est dominé à proximité du point de jamming par une interaction logarithmique non triviale, qui clarifiera le lien entre les forces de contact et les distances moyennes entre les particules, dans la région critique et au-delà.Comprendre pleinement la transition d'encombrement et les propriétés du perceptron nous permettra de faire des progrès dans plusieurs domaines reliés. En premier lieu, cela peut conduire à une théorie complète des systèmes amorphes, à la fois en dimension infinie et en dimension finie.De plus, le modèle du perceptron semble avoir un lien étroit avec des problèmes dits de Von Neumann. En effet, les systèmes biologiques et écologiques développent souvent des propriétés liées à une condition pseudo-critique en mettant en oeuvre des mécanismes d'optimisation de ressource-consommation.Est-il possible d'identifier un régime caractérisé par une brisure de symétrie? Quel serait le spectre de fluctuations d'énergie dans ces systèmes?Ce ne sont que quelques-unes des questions auxquelles nous essayerons de répondre dans cette thèse.Cependant, l'approximation de champ moyen peut parfois fournir des informationsincorrectes ou trompeuses, en particulier dans l'étude de certaines transitions de phase et la détermination des dimensions critiques inférieure et supérieure.Afin d'avoir une vue d'ensemble et pouvoir manipuler correctement des systèmes en dimension finie, dans la suite de la thèse nous discuterons comment obtenir un développement perturbatif systématique, applicable à tout modèle, à condition que ce dernier soit défini sur un réseau ou un graphe biparti.Notre motivation est en particulier liée à la possibilité d'étudier certaines transitions de phase du second ordre qui existent sur le réseau de Bethe - c'est-à-dire un réseau en arbre sans boucles dont chaque noeud a une connectivité fixe - mais qui sont qualitativement différentes ou absentes dans le modèle entièrement connecté correspondant.


  • Résumé

    The detailed description of disordered and glassy systems represents an open problem in statistical physics and condensed matter. As yet, there is no single, well-established theory allowing to understand such systems. The research presented in this thesis is related in particular to the study of glassy materials in the low-temperature regime. More precisely, considering systems formed by athermal particles subject to repulsive short-range interactions, upon progressively increasing the density, a so-called jamming transition can be detected. It entails a freezing of the degrees of freedom and hence a huge increase of the material rigidity.We shall study this problem in view of a formal analogy between sphere models and the perceptron, a theoretical model undergoing a jamming transition and frustration phenomena typical of disordered systems. Being a mean-field model, it allows to obtain exact analytical results, which are generalizable to more complex high-dimensional settings.The main aim is to reconstruct the vibrational spectrum and all the relevant properties of a specific phase of the perceptron, corresponding to the hard-sphere regime.In this framework, we will derive the effective potential as a function of the gaps between and forces among the particles, and we will show that it is dominated by a non-trivial logarithmic interaction near the jamming point. This interaction in turn will clarify the relations existing between the relevant variables of the system, in the critical jamming region and beyond.Understanding the jamming transition and the perceptron properties will allow us to make progress in several related fields. First, this study could lay part of the groundwork towards a complete theory of amorphous systems, in both infinite and finite dimensions. Furthermore, the perceptron model seems to a have a close connection with the so-called Von Neumann problems. Indeed, biological and ecological systems often develop pseudo-critical properties and give rise to general mechanisms of resource-consumption optimisation.Is the identification of a broken symmetry regime possible? What would it yield in terms of the spectrum of the energy fluctuations?These are just a few questions we shall attempt to answer in this context.However, the mean-field approximation can sometimes provide wrong or misleading information, especially in studying certain phase transitions and determining the exact lower and upper critical dimensions. To have a broad perspective and correctly deal with finite-dimensional systems, in the second part of the thesis we will discuss obtaining a systematic perturbative expansion which can be applied to any model, as long as defined on a lattice or a bipartite graph.Our motivation is in particular due to the possibility of studying relevant second-order phase transitions which exist on the Bethe lattice — a lattice with a locally tree-like structure and fixed connectivity for each node — but which are qualitatively different or absent in the corresponding fully-connected version.

  • Titre traduit

    Jamming e transizione vetrosa in teorie di campo medio ed oltre


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