Dynamics and Structure close to the Glass and Jamming transitions ; Experiments and Simulations
Dynamique et structure au voisinage de la transition vitreuse et de la transition de blocage ; expériences et simulations
Résumé
The glass transition is the dramatic dynamical slowdown one observes when cooling down a liquid or densifying a set of particles into an amorphous state. In this thesis we explore two distinct situations related to this phenomenology, mostly in the case of granular materials. In a first part we study the strongly non-linear response of an assembly of frictional grains under vibration when they are very densely packed. To this aim we pull a probe particle - an "intruder" - through the media and follow the dynamics of the particles around. We evidence the presence of two transitions: the first one is analogous to a fluidization transition, as shown by the evolution from a continuous to a highly intermittent motion and by the appearance of a yield stress in the response~; the second one is identified as the jamming transition that occurs in several systems. We show that the reorganizations induced by the intruder display critical signatures at the transition, as previously shown by the study of the same system without drag, leading to interesting connections with recent simulations in athermal and frictionless particles systems. In a second part, we study the relations between the very short term dynamics - essentially made of vibrations of the particles around their equilibrium positions - and the long time scale dynamics where dynamical heterogeneities are responsible for the slowdown of the structural relaxations on approach to the glass transition. The dynamics of the metastable states is analyzed in two experimental granular systems (grains under cyclic shear or in a fluidized bed) as well as in simulations of repulsive particles. We show the dominant role of quasi-instantaneous cooperative displacements to build the large intermittent decorrelation patterns that one observes on longer time scales through a facilitation mechanism. Facilitation becomes less and less efficient when the packing fraction increases, leading to increasingly separated and concentrated dynamical events in space and time. The vibrational dynamics leading to the cooperative motion are also investigated, and we show that the latter are essentially driven by the structure, coarse grained at a mesoscopic scale.
La transition vitreuse se caractérise par un ralentissement dramatique de la dynamique, soit lorsqu'on refroidit un liquide soit lorsque l'on compacifie une assemblée de particules dans un état amorphe. Dans cette thèse nous explorons deux situations distinctes liées à cette phénoménologie, principalement dans le cas de matériaux granulaires. Dans une première partie nous étudions la réponse fortement non-linéaire d'un système de particules frottantes vibrées à très haute densité soumis à une contrainte locale. Pour cela nous tirons une particule "intrus" à force constante dans le milieu en suivant le mouvement des particules alentour. Nous mettons en évidence deux transitions distinctes : la première est l'analogue d'une transition de fluidification et se manifeste par le passage d'un mouvement continu de l'intrus à un mouvement fortement intermittent ainsi que par l'apparition d'une contrainte seuil dans la réponse ; la deuxième est identifiée à la transition de blocage qui intervient de manière générique dans de nombreux systèmes. Nous montrons que les réorganisations induites par l'intrus ont un comportement critique à la transition, venant conforter le caractère critique de la transition de blocage mis en évidence en l'absence d'intrus, et établissant d'intéressantes connections avec des simulations récentes de systèmes athermiques de particules non-frottantes. Dans une deuxième partie nous étudions les relations entre la dynamique à très court terme - essentiellement vibratoire - et à plus longue échelle de temps, où de fortes hétérogénéités dynamiques sont responsables du ralentissement des relaxations structurales à l'approche de la transition vitreuse. La dynamique des états métastables est analysée dans plusieurs systèmes granulaires (cellule de cisaillement cyclique et lit fluidisé) ainsi que dans une simulation d'un liquide de Lennard-Jones répulsif ; nous mettons en évidence le rôle de mouvements coopératifs quasi-instantanés qui construisent à long terme par un mécanisme de facilitation de larges motifs de décorrélation intermittents. Ce mécanisme de facilitation diminue lorsque le matériau se densifie, menant à des évènements dynamiques de plus en plus séparés et concentrés dans l'espace et le temps. La dynamique vibratoire aboutissant aux mouvements coopératifs est elle aussi étudiée, et nous montrons que ces derniers sont déterminés pour une large part par la structure du matériau à un niveau mésoscopique.
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