Effetti di confinamento e perturbazioni in sistemi vettoriali di materia attiva

Active matter, i.e., nonequilibrium systems capable of transforming some non-thermal energy present in the environment into self-propulsion or other functional mechanisms, has attracted the attention of the statistical physics community in the past decades. Flocking is perhaps one of the most intriguing examples of collective behaviors exhibited by active matter systems, as shown by the aerial displays of starling flocks. While our knowledge of the bulk behaviour of free collective motion, i.e., flocking, is now fairly complete, at least when the surrounding fluid may be safely neglected (the so-called dry approximation) much less is known when collective motion is achieved explicitly breaking a continuos rotational symmetry, either at the global or local level. This thesis explores the effects of explicit symmetry breaking, both global and local, on the dynamics of collective motion. Symmetry breaking at the global level can perhaps be due to an anisotropic environment, where a favored direction determines the mean flocking direction. A key question addressed in this thesis is how it is possible to detect the presence of small anisotropies in the system without prior knowledge of the underlying environmental asymmetry. Moreover, this thesis examines the influence of boundary-induced symmetry breaking. In confined flocking systems, local anisotropies can arise at the boundaries, which significantly affect both the bulk and boundary behavior of the system, especially in finite-sized setups. This thesis will focus in particular on the effects induced by confining a polar active fluid between two parallel and repelling walls, showing how the effect of the boundaries extends far into the bulk of the system. This thesis will finally consider a more subtle confinement, inspired by the phototactic behavior of certain cyanobacteria, showing how some key features of active matter, such as accumulation at boundaries, are possible also in the absence of mechanical confinement. The results shed light on how symmetry-breaking perturbations, whether imposed globally or locally, alter the dynamics of active matter systems and offer new insights into the control of collective motion in these systems.

Per materia attiva si intendon sistemi fuori dall'equilibrio in grado di trasformare l'energia non termica presente nell'ambiente circostante in autopropulsione. Il moto collettivo o flocking è forse uno degli esempi più interessanti di comportamenti collettivi esibiti da sistemi di materia attiva, come dimostrano le esibizioni aeree degli stormi di storni. La nostra comprensione del comportamento del moto collettivo libero è ad oggi abbastanza completa, almeno quando l'effetto delle interazioni idrodinamiche indotte dal fluido circostante può essere tranquillamente trascurato. La nostra comprensione del moto collettivo quando è ottenuto rompendo esplicitamente una simmetria rotazionale continua è invece ancora soggetto di ricera. Questa tesi esplora gli effetti della rottura esplicita della simmetria, sia globale che locale, sulla dinamica del moto collettivo. La rottura della simmetria a livello globale può essere dovuta a un ambiente anisotropo, in cui una direzione viene favorita e determina la direzione di flocking. Una domanda chiave affrontata in questa tesi è come sia possibile rilevare la presenza di piccole anisotropie nel sistema senza una conoscenza preliminare dell'asimmetria ambientale sottostante. Inoltre, questa tesi esamina l'influenza della rottura della simmetria indotta in sistemi confinati. Nei sistemi confinati di flocking, possono sorgere anisotropie locali ai bordi, che influenzano in modo significativo il comportamento del sistema sia in prossimità che lontanto dai bordi. Questa tesi si concentrerà in particolare sugli effetti indotti dal confinamento di un fluido polare attivo tra due pareti parallele, mostrando come l'effetto dei bordi sia estensivo. La tesi prenderà infine in considerazione un confinamento ispirato al comportamento fototattico di alcuni cianobatteri, mostrando come alcune caratteristiche chiave della materia attiva, come l'accumulo ai bordi, siano possibili anche in assenza di confinamento meccanico.