Outstanding problems in the statistical physics of active matter

par Benoît Mahault

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Hugues Chaté.

Soutenue le 30-08-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Cécile Appert-Rolland.

Le jury était composé de Hugues Chaté, Cécile Appert-Rolland, Erwin Frey, Yariv Kafri, Raphaël Voituriez.

Les rapporteurs étaient Erwin Frey, Yariv Kafri.

  • Titre traduit

    Problèmes en suspens en physique statistique de la matière active


  • Résumé

    La matière active, désignant les systèmes hors d’équilibre composés de particules étant capable d’utiliser l’énergie présente dans leur environnement afin de se déplacer de façon systématique, a suscité beaucoup d’attention auprès des communautés de mécanique statistique et matière molle ces dernières décennies. Les systèmes actifs couvrent en effet un large panel d’exemples allant de la biologie aux granulaires. Cette thèse se concentre sur l’étude de modèles minimaux de matière active sèche (ceux pour lesquels le fluide dans lequel les particles sont immergées est négligé), tel que le modèle de Vicsek qui considère des particules ponctuelles se déplaçant à vitesse constante tout en alignant leur direction de mouvement avec celles de leurs voisins localement en présence de bruit, et définit une classe d’universalité hors équilibre pour la transition vers le mouvement collectif. Quatre problèmes en suspens ont été abordés : La définition d’une classe d’universalité en matière active sèche qui décrit des systèmes de particles présentant un alignement polaire et un mouvement apolaire. Cette nouvelle classe exhibe une transition continue vers un quasi-ordre polaire doté d’exposants variant continument, et donc analogue au modèle XY à l’équilibre, mais n’appartenant pas à la classe d’universalité Kosterlitz-Thouless. Ensuite, l’étude de la validité des théories cinétiques décrivant les modèles de type Vicsek, qui sont confrontées aux résultats obtenus aux niveaux microscopique et hydrodynamique. Puis une évaluation quantitative de la théorie de Toner et Tu, permettant de mesurer les exposants caractérisant les fluctuations dans la phase ordonnée du modèle de Vicsek, à partir de simulations numériques à grande échelle du modèle microscopique. Enfin, la création d’un formalisme pour la dérivation d’équations hydrodynamiques à partir de modèles de matière active sèche à trois dimensions, ainsi que leur étude au niveau linéaire.


  • Résumé

    Active matter, i.e. nonequilibrium systems composed of many particles capable of exploiting the energy present in their environment in order to produce systematic motion, has attracted much attention from the statistical mechanics and soft matter communities in the past decades. Active systems indeed cover a large variety of examples that range from biological to granular. This Ph.D. focusses on the study of minimal models of dry active matter (when the fluid surrounding particles is neglected), such as the Vicsek model: point-like particles moving at constant speed and aligning their velocities with those of their neighbors locally in presence of noise, that defines a nonequilibrium universalilty class for the transition to collective motion. Four current issues have been addressed: The definition of a new universality class of dry active matter with polar alignment and apolar motion, showing a continuous transition to quasilong-range polar order with continuously varying exponents, analogous to the equilibrium XY model, but that does not belong to the Kosterlitz-Thouless universality class. Then, the study of the faithfulness of kinetic theories for simple Vicsek-style models and their comparison with results obtained at the microscopic and hydrodynamic levels. Follows a quantitative assessment of Toner and Tu theory, which has allowed to compute the exponents characterizing fluctuations in the flocking phase of the Vicsek model, from large scale numerical simulations of the microscopic dynamics. Finally, the establishment of a formalism allowing for the derivation of hydrodynamic field theories for dry active matter models in three dimensions, and their study at the linear level.


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