Dynamique collective de particules auto-propulsées : ondes, vortex, essaim, tressage

Collective dynamics of self-propelled particles : waves, vortex, swarm, braiding

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Caussin
• Direction : Denis Bartolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/06/2015
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Barrat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Bartolo, Jean-Louis Barrat, Eric Bertin, Luca Giomi, Emmanuel Trizac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Bertin, Luca Giomi

Mots clés

Mots clés libres

Matière active

Particules auto-propulsées

Dynamique collective

Structures spatio-temporelles

Active matter

Self-propelled particles

Collective dynamics

Spatiotemporal patterns

Résumé

L'émergence de mouvements cohérents à grande échelle a été abondamment observée dans les populations animales (nuées d'oiseaux, bancs de poissons, essaims de bactéries...) et plus récemment au sein de systèmes artificiels. De tels ensembles d'individus auto-propulsés, susceptibles d'aligner leurs vitesses, présentent des propriétés physiques singulières. Cette thèse théorique étudie divers aspects de ces systèmes actifs polaires.Dans un premier temps, nous avons modélisé une population de colloïdes auto-propulsés. En étroite association avec les travaux expérimentaux, nous avons décrit la dynamique du niveau individuel à l'échelle macroscopique. Les résultats théoriques expliquent l'émergence et la structure de motifs cohérents : (i) transition vers le mouvement collectif, (ii) propagation de structures spatiales polarisées, (iii) amortissement des fluctuations de densité dans un liquide polaire, (iv) vortex hétérogène dans des géométries confinées.D'un point de vue plus fondamental, nous avons ensuite étudié les excitations non linéaires qui se propagent dans les systèmes actifs polaires. L'analyse des théories hydrodynamiques de la matière active, à l'aide d'outils issus des systèmes dynamiques, a permis de rationaliser les observations expérimentales et numériques reportées jusqu'ici.Enfin, nous avons proposé une approche complémentaire pour caractériser les populations actives. Associant étude numérique et résultats analytiques, nous avons étudié les propriétés géométriques des trajectoires individuelles, ainsi que leur enchevêtrement au sein de groupes tridimensionnels. Ces observables pourraient permettre de sonder efficacement la dynamique de populations animales.

The emergence of coherent motion at large scale has been widely observed in animal populations (bird flocks, fish schools, bacterial swarms...) and more recently in artificial systems. Such ensembles of self-propelled individuals, capable of aligning their velocities, are commonly referred to as polar active materials. They display unique physical properties, which we investigate in this theoretical thesis.We first describe a population of self-propelled colloids. In strong connection with the experiments, we model the dynamics from the individual level to the macroscopic scale. The theoretical results account for the emergence and the structure of coherent patterns: (i)~transition to collective motion, (ii)~propagation of polar spatial structures, (iii)~damping of density fluctuations in a polar liquid, (iv)~heterogeneous vortex in confined geometries.We then follow a more formal perspective, and study the non-linear excitations which propagate in polar active systems. We analyze the hydrodynamic theories of active matter using a dynamical-system framework. This approach makes it possible to rationalize the experimental and numerical observations reported so far.Finally, we propose a complementary approach to characterize active populations. Combining numerical and analytical results, we study the geometric properties of the individual trajectories and their entanglement within three-dimensional flocks. We suggest that these observables should provide powerful tools to describe animal flocks in the wild.