Fases coletivas emergentes de matéria ativa browniana : efeitos do torque restaurador

Abstract

Sistemas fora do equilíbrio estão presentes em toda natureza, no entanto o nosso conhecimento destes é limitado. Ainda assim, é possível os separar em categorias de acordo com os comportamentos que apresentam. Uma de tais categorias é conhecida como “matéria ativa”, caracterizada por possuir um mecanismo de auto-propulsão para realizar movimento direcionado. Em tais sistemas, cada constituinte continuamente consome energia, tanto armazenada quanto do meio, para se afastar do equilíbrio térmico, que dá origem a uma abundância de novos fenômenos. Matéria ativa pode ser usada para modelar uma ampla variedade de sistemas, abrangendo revoadas de pássaros e cardumes de peixes a tecidos celulares e movimento de bactérias. Nesta dissertação investigamos propriedades de Partículas Brownianas Ativas (conhecidas como ABPs em inglês) sobreamortecidas. Primeiramente fazemos uma revisão de resultados conhecidos, começando de como, na ausência de confinamento, uma partícula ativa isolada é equivalente a uma partícula Browniana passiva em grandes escalas de espaço e tempo. Discutimos então resultados recentes da literatura sobre o fenômeno de separação de fases em ABPs interagentes e as propriedades de ABPs isoladas em um potencial harmônico. Continuamos então com uma análise dos efeitos combinados de um torque intrínseco de auto-alinhamento e repulsão entre as partículas na dinâmica de muitas partículas ativas. Enquanto no sistema sem o torque não existe uma ordem polar global, apesar de apresentar uma separação de fase sob certas condições, com o torque o sistema passa a exibir uma fase com transporte líquido finito para baixas temperaturas. Ao confinar tal sistema num potencial harmônico, novos comportamentos aparecem, o mais notável entre eles sendo um onde as partículas passam a se separar em clusters, agrupamentos de partículas que se comportam como uma só entidade, que orbitam o potencial sem mudar de forma. Com a introdução de um parâmetro de anisotropia, a fase de cluster tem um dobramento de período e a trajetória do centro de massa muda de uma órbita elíptica para uma lemniscata. No caso de potenciais altamente anisotrópicos, mais uma fase aparece, na qual o sistema alterna entre um estado cristalino e um fluido ao longo da órbita, dependendo se as partículas estão em regiões de alta ou baixa curvatura do potencial confinador.