Oscillations auto-entretenues dans la matière active dense // sustained oscillations in crowded active matter

Topic description

Le cadre de la physique statistique offre des outils puissants pour comprendre les systèmes à l'équilibre. Cependant, la plupart des systèmes naturels évoluent loin de l'équilibre - en particulier les processus biologiques - où un cadre théorique comparable reste difficile à construire. Dans le but d'approfondir la compréhension scientifique des systèmes vivants, le domaine de la physique de la matière active cherche à étudier le rôle du mouvement persistant, qui est au cœur de la complexité de la vie. Contrairement aux systèmes passifs régis par la diffusion thermique, les systèmes vivants sont constitués d'agents capables de mouvement spontané dirigé à toutes les échelles, avec des exemples allant des moteurs moléculaires intracellulaires à des organismes entiers. Comprendre les phénomènes collectifs qui émergent quand un grand nombre de ces agents interagissent est au cœur de la physique de la matière active.

En l'absence d'un cadre théorique unifié, les simulations numériques jouent un rôle crucial dans la recherche sur la matière active. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés en s'appuyant sur des modèles minimaux, d'importantes lacunes subsistent dans la compréhension des comportements collectifs qui émergent spontanément lorsque le mouvement persistant des particules entre en compétition avec l'encombrement stérique à haute densité. Ce n'est que récemment [1] que des mouvements collectifs analogues à de la turbulence ont été reportés dans ce régime d'activité et de densité pour des modèles minimaux, ces mouvements émergents ressemblant fortement aux écoulements advectifs chaotiques observés dans les colonies de bactéries denses et les tissus cellulaires [2,3].

Au-delà de la turbulence, les systèmes actifs denses peuvent également présenter des oscillations spontanées auto-entretenues, comme déjà observées dans les foules humaines denses et les tissus biologiques [4,5]. Il est essentiel de comprendre les mécanismes à l'origine de ces oscillations, car ils pourraient fournir des informations cruciales sur la dynamique collective dans les systèmes actifs biologiques et synthétiques.

L'objectif principal de ce projet de thèse est d'identifier et de caractériser les mécanismes fondamentaux responsables des oscillations auto-entretenues dans la matière active dense. Cela impliquera de combiner simulations numériques et modélisation analytique, avec pour objectif plus large de faire le lien entre les interactions microscopiques entre particules et la dynamique émergente à grande échelle.
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The framework of statistical mechanics provides powerful tools for understanding equilibrium systems. However, most natural systems operate far from equilibrium—particularly biological processes—where a comparable theoretical foundation remains elusive. In pursuit of a broader scientific understanding of living systems, the field of active matter physics focuses on uncovering the role of persistent motion, which lies at the heart of the complexity of life. Unlike passive systems governed by thermal diffusion, living systems rely on agents capable of autonomous, directed motion across all scales, from intracellular molecular motors to whole organisms. Understanding the collective phenomena that emerge when large numbers of these agents interact lies at the heart of the field.

In the absence of a unifying theoretical framework, numerical studies play a crucial role in active matter research. While significant progress has been made using minimal models, important gaps remain in understanding the striking collective behaviors that emerge when persistent particle motion competes with crowding at high densities. Only recently [1], turbulent-like collective motion has been reported in this regime for minimal models, strongly resembling the chaotic advective flows observed in dense bacterial colonies and cellular tissues [2,3].

Beyond turbulence, dense active systems can also exhibit sustained oscillations, as seen in massive human crowds and biological tissues [4,5]. Understanding the mechanisms that give rise to these oscillations is crucial, as they may provide key insights into collective dynamics across biological and synthetic active systems.

The primary goal of this PhD project is to identify and characterize the fundamental mechanisms responsible for sustained oscillations in dense active matter. This will involve a combination of numerical simulations and theoretical modeling, with the broader aim of bridging the gap between microscopic particle interactions and emergent large-scale dynamics
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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