Dynamique des particules actives dans les superfluides et leur interaction avec les vortex quantiques

Dynamics of active particles in superfluids and their interaction with quantum vortices

• Auteur / Autrice : Umberto Giuriato
• Direction : Giorgio Krstulovic, Yannick Ponty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/11/2020
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes ; 2012-....) - Observatoire de la Côte d'Azur
• Jury : Président / Présidente : Sergey Nazarenko
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Ponty, Sergey Nazarenko, Carlo F. Barenghi, Christophe Josserand, Mathieu Gibert, Alessandra Lanotte
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Carlo F. Barenghi, Christophe Josserand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (matière)

Superfluidité

Mots clés libres

Superfluides

Turbulence quantique

Particules

Simulations numériques

Superfluids

Quantum turbulence

Particles

Numerical simulations

Résumé

Les superfluides sont des fluides non visqueux dans lesquels la vorticité se concentre sur des filaments ayant une circulation quantifiée. Ces objets, appelés vortex quantiques, possèdent un comportement hydrodynamique. Expérimentalement, la dynamique des superfluides est souvent étudiée en utilisant des particules. Les particules sont aujourd’hui devenues l’outil principal pour visualiser les vortex quantiques. Dans cette thèse, nous étudions numériquement et analytiquement la dynamique des particules actives et de taille finie dans les superfluides. Le superfluide est modélisé avec l’équation Gross–Pitaevskii, tandis que les particules sont implémentées comme des potentiels répulsifs mobiles couplés avec la fonction d’onde macroscopique décrivant le superfluide. Le modèle est utilisé pour étudier l’interaction entre les particules et les tourbillons quantiques à très basse température. Cette première partie vise à donner un contexte théorique aux expériences actuelles dans lesquelles des particules macroscopiques sont utilisées pour échantillonner les vortex superfluides et la turbulence quantique. Plus précisément, nous abordons les problèmes suivants : la capture d’une particule par un vortex quantique, les reconnexions des filaments de vortex et la propagation des ondes Kelvin en présence de particules piégées, ainsi que la dynamique des particules dans la turbulence quantique en déclin. Dans la dernière partie du manuscrit, les effets de température finis sont étudiés dans le modèle Gross–Pitaevskii avec une troncature spectrale. L’objectif est de caractériser la dynamique des impuretés immergées dans un bain thermal et comment leur présence modifie les propriétés statistiques du fluide. En particulier, le mouvement aléatoire des impuretés et la dépendance en température du coefficient de frottement sont étudiés. Enfin, le clustering des impuretés et son effet sur les transitions de phase du condensat sont examinés.

Superfluids are inviscid flows in which vorticity is supported on filaments with quantized circulation. Such objects, known as quantum vortices, exhibit a hydrodynamical behavior. Experimentally, the dynamics of superfluids has been studied by using particles, which nowadays have become the main tool for visualizing quantum vortices. In this Thesis, we study numerically and analytically the dynamics of active and finite-size particles in superfluids. The superfluid is modeled with the Gross–Pitaevskii equation, while the particles are implemented as moving repulsive potentials coupled with the macroscopic wave function describing the superfluid. Firstly, the model is used to investigate the interaction between particles and quantum vortices at very low temperatures. This part aims to give a theoretical background to the current experiments in which macroscopic particles are used to sample superfluid vortices and quantum turbulence. Specifically, we address the following problems: the capture of a particle by a quantum vortex, the reconnections of vortex filaments and the propagation of Kelvin waves in presence trapped particles and the dynamics of particles in decaying quantum turbulence. In the last part of the manuscript, finite temperature effects are studied in the Fourier-truncated Gross–Pitaevskii model. The goal is to characterize the dynamics of impurities immersed in a thermal bath and how their presence modifies the statistical properties of the fluid. In particular, the random motion of the impurities and the temperature dependence of the friction coefficient are studied. Finally, the clustering of impurities and its effect on the phase transitions of the condensate are investigated.