Active matter states of self-propelled dipolar particles

Abstract

Vi simulerer et 2D ensemble av selvdrevne partikler med dipolvekselvirkning. Dette er et eksempel på et aktivt system, en type mykt kondensert materie som oppstår i dyreflokker så vel som i mikroskopiske, selvdrevne kolloider. Vi sammenligner modellen vår med den minimale Vicsek-modellen og motiverer bruken av dipolvekselvirkninger på bakgrunn av deres fysiske enkelhet og utbredelse.

Likningene til dreiemoment og kraft mellom dipoler utledes, og sammen et stokastisk rotasjonsdiffusjonsledd danner de et sett med overdempede bevegelseslikninger. Disse stokastiske differensiallikningene integreres med en adaptiv to-steg Adams-Bashford-metode.

Uten selvdrift vil dipolpartiklene danne kjeder og ringer, som tolererer en viss mengde støy i form av rotasjonsdiffusjon før strukturene kollapser. Med selvdrift vil partikkelsystemet befinne seg i en diffunderende gassfase ved høy rotasjonsdiffusjon og i en polar væskefase som svømmer i en vilkårlig retning ved lav rotasjonsdiffusjon, et symmetribrudd som kan direkte sammenlignes med den vi ser i Vicsek-modellen med periodiske grensebetingelser.

Med sirkulær innesperring vil partiklene kondensere til en heksatisk-lignende fase som roterer langs veggen til domenet, og denne fasen sameksisterer og veksler partikler med en gassfase i sentrum av domenet. Denne oppførselen står i kontrast til den typiske oppførselen observert i andre innesperrede, aktive systemer i simuleringer og eksperimenter, hvor det ikke er et slikt tydelig grensesnitt. Vi foreslår at dette er en konsekvens av kombinasjonen av dipoltiltrekning og mykkjernefrastøting i modellen vår.