Amorphous solids from the glass transition to 1 Kelvin

Solides amorphes de la transition vitreuse à 1 Kelvin

• Auteur / Autrice : Camille Scalliet
• Direction : Ludovic Berthier, Francesco Zamponi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/09/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Ediger Mark
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Berthier, Francesco Zamponi, Ediger Mark, Jean-Louis Barrat, David Rodney, Liesbeth Janssen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Barrat, David Rodney

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie du champ moyen

Matériaux amorphes

Transition vitreuse

Physique statistique

Mots clés libres

Physique statistique hors équilibre

Transition vitreuse

Solides amorphes

Simulations numériques

Théorie de champ moyen

Nonequilibrium statistical physics

Glass transition

Amorphous solids

Numerical simulations

Mean field theory

Résumé

Comprendre la nature fondamentale de la transition vitreuse et des solides amorphes est au cœur d’un vaste effort de recherche. La description théorique des solides vitreux reste essentielle- ment phénoménologique. Ce travail explore l’hypothèse selon laquelle une nouvelle phase amorphe de la matière expliquerait naturellement leurs propriétés physiques. Nous analysons la thermodynamique des verres dans la limite de dimension infinie. Cette théorie exacte de champ moyen prédit deux phases vitreuses, une "simple" et une "marginalement stable", séparées par une transition de Gardner. Nous démontrons que les verres sont marginalement stables dans une grande variété de conditions physiques, couvrant des régimes pertinents pour décrire la matière granulaire, les mousses, les émulsions, les colloïdes durs et mous, ainsi que les verres moléculaires. Nous confrontons nos prédictions théoriques à des simulations numériques en trois dimensions. Nous développons un algorithme numérique efficace qui crée des verres très stables. Nous montrons que les verres colloïdaux et granulaires sont marginalement stables: ils évoluent dans un paysage hiérarchique et présentent des excitations délocalisées de basse énergie. Dans ce régime, des variations cycliques de la température donnent lieu à des effets de rajeunissement et de mémoire, précédemment observés dans les verres de spin. En revanche, le comportement des verres moléculaires est régi par des défauts localisés, dont les propriétés quantiques à basse température sont également analysées. Nous étudions le rôle de l’entropie configurationnelle dans le ralentissement dynamique qui accompagne la formation du verre. Nous mesurons l’entropie configurationnelle dans des liquides à très basse température, et analysons les théories thermodynamiques de la transition vitreuse.

Understanding the fundamental nature of the glass transition and amorphous solids is at the core of a large research effort. The theoretical description of glassy solids remains mainly phe- nomenological. This work explores the hypothesis that a new amorphous phase of matter naturally explains their physical properties. We analyze the thermodynamics of glasses in the limit of large dimensions. This exact mean-field theory predicts two glassy phases, ‘simple’ and ‘marginally stable’, separated by a Gardner transition. We find that glasses are marginally stable in a wide range of physical conditions, covering regimes relevant to describe granular matter, foams, emul- sions, hard and soft colloids, and molecular glasses. We confront our theoretical predictions to three-dimensional numerical simulations. We develop an efficient numerical scheme which creates well-relaxed glasses. Colloidal and granular glasses are found to be marginally stable: they evolve in a hierarchical landscape, and present delocalized low-lying excitations. Temperature cycles in this regime give rise to rejuvenation and memory effects, previously observed in spin glasses. In contrast, the behavior of molecular glasses is governed by localized two level systems, whose low- temperature tunneling properties are also analyzed. We investigate the role of the configurational entropy in the glassy dynamical slowdown accompanying glass formation. We measure the config- urational entropy in extremely supercooled liquids, and assess thermodynamic theories of the glass transition.