Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Simon Merminod effectuée sous la direction de Michael Berhanu et Eric Falcon.

Soutenance le jeudi 6 octobre 2016 à 14h.

Lieu : bâtiment Condorcet, Salle 454A (4e étage). La soutenance sera suivie d’un pot au 6e étage.

Auto-organisation de particules magnétiques vibrées : Structure, dynamique et transitions

Résumé :

Nous étudions l’auto-organisation dans un système modèle expérimental où l’agitation des particules et leurs interactions à distance sont en compétition. Ce système est composé de particules macroscopiques sphériques ferromagnétiques douces dans une cellule horizontale quasi-bidimensionnelle. Les particules sont agitées par vibration verticale de la cellule et acquièrent un moment magnétique induit en présence d’un champ magnétique externe vertical. En ajustant l’équilibre entre les forces dipolaires répulsives résultantes et l’agitation, nous provoquons des transitions entre des états de types fluides et solides. A faible densité de particules, nous examinons les phases et les transitions de phases rencontrées lorsque nous renforçons les interactions entre particules : d’abord un gaz granulaire dissipatif, puis un état dont les propriétés structurales et dynamiques s’approchent de celles d’un gaz idéal à l’équilibre thermodynamique, et enfin un état ordonné où les particules forment un réseau triangulaire. Nous nous intéressons aussi à l’auto-organisation du système à plus haute densité de particules, où nous observons un état labyrinthique désordonné principalement composé de chaînes de particules en contact. Ces chaînes, en zigzag entre la surface de la cellule et le couvercle, sont énergétiquement favorisées par l’anisotropie des interactions dipolaires. Nous caractérisons la transition de l’état de gaz granulaire vers cette phase labyrinthique. Enfin, nous explorons l’évolution temporelle de la phase labyrinthique au moyen d’une trempe magnétique. Nous observons une nucléation homogène aux temps courts et une augmentation de la taille typique des chaînes via une relaxation lente aux temps longs.

Abstract :

We study self-organization in an experimental model system in which particle agitation competes with remote inter-particle interactions. This system is composed of macroscopic spherical soft-ferromagnetic particles in a horizontal quasi-two-dimensional cell. The particles are agitated by vibrating the cell vertically and are magnetized as induced dipoles by an external vertical magnetic field. By tuning the balance between the resulting repulsive dipole-dipole forces and agitation, we trigger transitions between fluid- and solid-like states. At low particle density, we examine the phases and phase transitions that occur as we strengthen the inter-particle interactions : from a dissipative granular gas, to a state whose structural and dynamical properties approach those of an ideal gas at thermodynamic equilibrium, to an ordered state in which the particles form a triangular lattice. We also investigate the self-organization of the system at a higher particle density, where we observe a disordered labyrinthine state mostly composed of chains of particles at contact. These chains, buckled between the top and bottom plates, are energetically favored due to the anisotropy of the dipole-dipole interactions. We characterize the transition from the granular gas state to this labyrinthine phase. Finally, we explore the temporal evolution of the labyrinthine phase by applying a magnetic quench. We observe homogeneous nucleation at short times and coarsening via slow relaxation at long times.

Formation de la phase labyrinthique.