Orientador: Marcos Cesar de Oliveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-24T17:07:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_ThiagoRodriguesde_D.pdf: 2410853 bytes, checksum: 48f52d2d48ef1be2ecb155881b8e16df (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Esta dissertação tenta contribuir ao entendimento das possíveis interconexões entre a Teoria de Informação Quântica e Matéria Condensada, um novo campo de pesquisa em amplo desenvolvimento. Mais especificamente, investigamos o papel do emaranhamento, ou correlações quânticas, em transições de fase quânticas contínuas. Enquanto o papel do primeiro na Teoria de Informação dispensa apresentação, as últimas são de grande interesse por exibir um comportamento universal, o qual se origina na divergência de um comprimento de correlação. É esta origem mútua em correlações de ambos os fenômenos que cria uma expectativa de uma possível relação entre estes. Nosso trabalho, embasado no estudo do modelo XY unidimensional em um campo transverso, aponta evidências de um favorecimento do emaranhamento multipartite em detrimento do bipartite na transição, e assim da importância do primeiro no estabelecimento de correlações de longo alcance. Nessa tarefa, acabamos por definir uma classe de medidas de emaranhamento multipartite, generalizando o Emaranhamento Global introduzido por Meyer e Wallach em2002. Mostramos que algumas destas classes provêem informações adicionais à do Emaranhamento Global, além de serem escritas de forma simples em termos de funções de correlação. Tal simplicidade permite o estabelecimento de uma relação formal entre uma dessas classes e transições de fase sinalizadas por divergências na energia. Ao final estudamos o papel da quebra de simetria no emaranhamento bipartite e multipartite, evidenciando, uma vez mais, a maior importância do último em relação ao primeiro. Em uma segunda parte, examinamos o uso de estados de produtos de matrizes na aproximação de estados fundamentais de sistemas críticos. Estes estados podem ser vistos como o ansatz utilizado no Grupo de Renormalização de Matriz Densidade (DMRG), quando este é encarado como um método variacional. Analisando o poder de aproximação de tais estados, agora no modelo de Ising, descobrimos que a "dimensão" do ansatz (ou número de graus de liberdade renormalizados) é uma variável relevante do grupo de renormalização de maneira análoga ao tamanho finito do sistema. Isto possibilita uma análise de escala em relação a essa "dimensão" dos estados de produto de matrizes, com uma possível obtenção de propriedades críticas a baixo custo computacional / Abstract: This thesis attempts to contribute to the understanding of possible connections between Quantum Information and Condensed Matter theories, a new field of research in broad development. Specifically, we investigated the role of entanglement, or quantumcorrelations, in continuous quantum phase transitions. While the importance of the first in the theory of Quantum Information is well known dispense presentation, the latter are of great interest as they exhibit a universal behavior, which descent fromthe divergence of the correlation length. This mutual origin of both in correlations is what creates an expectation of a possible link between them. Our work, based on the study of XY dimensional model in a transverse field, brings evidence of multipartite entanglement being favored, in detriment of bipartite in the transition, and thus in the importance of the first in the establishment of long-range correlations. During our journey, we define a class of measures of multipartite entanglement, generalising the Global Entanglement introduced by Meyer and Wallach in 2002. We show that some of these classes provide additional information to the Global Entanglement, as well as being written in a simple way in terms of correlation functions . This simplicity allows the establishment of a formal relationship between those classes and phases transitions marked by non-analycities in the energy. At the end, we studied the role of spontaneous symmetry breaking in the bipartite and multipartite entanglement, demonstrating once again a major role of the last over the first. In a second part, we examine the use of Matrix Product States to approximate ground states of critical systems. This class of states can be seen as the ansatz used in the Density Matrix Renormalization Group (DMRG), when this one is understood as a variational method. Analyzing the power of approximation of these states, now in Ising model, we found that the "dimension" of the ansatz (or number of renormalized degrees of freedom) is a relevant variable in the renormalization group, in a analogous way to the finite size of the system. This enables an analysis of scaling regarding the "size" of Matrix Product States, with a possible acquisition of critical properties at low computation cost / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho abordamos a teoria de Ginzburg-Landau da supercondutividade (teoria GL). Apresentamos suas origens, características e resultados mais importantes. A idéia fundamental desta teoria e descrever a transição de fase que sofrem alguns metais de uma fase normal para uma fase supercondutora. Durante uma transição de fase em supercondutores do tipo II é característico o surgimento de linhas de fluxo magnético em determinadas regiões de tamanho finito chamadas comumente de vórtices. A dinâmica destas estruturas topológicas é de grande interesse na comunidade científica atual e impulsiona incontáveis núcleos de pesquisa na área da supercondutividade. Baseado nisto estudamos como essas estruturas topológicas influenciam em uma transição de fase em um modelo bidimensional conhecido como modelo XY. No modelo XY vemos que os principais responsáveis pela transição de fase são os vórtices (na verdade pares de vórtice-antivórtice). Villain, observando este fato, percebeu que poderia tornar explícita a contribuição desses defeitos topológicos na função de partição do modelo XY realizando uma transformação de dualidade. Este modelo serve como inspiração para a proposta deste trabalho. Apresentamos aqui um modelo baseado em considerações físicas sobre sistemas de matéria condensada e ao mesmo tempo utilizamos um formalismo desenvolvido recentemente na referência [29] que possibilita tornar explícita a contribuição dos defeitos topológicos na ação original proposta em nossa teoria. Após isso analisamos alguns limites clássicos e finalmente realizamos as flutuações quânticas visando obter a expressão completa da função correlação dos vórtices o que pode ser muito útil em teorias de vórtices interagentes (dinâmica de vórtices). / In this work we introduced the Ginzburg-Landau theory of superconductivity (GL theory). We have shown your foundations, features and more important results. The fundamental idea of this theory is to describe the phase transition that some metals undergoes from a normal to a superconductor phase. During a phase transition in superconductors of type II is common the appearance of magnetic flux lines in given regions of finite size called of vortices. The knowledge of the dynamics of these vortices is of great importance in the current cientific community and drives many research centers to study the superconductivity. In view of this we study how these vortices changes a phase transition in a bidimensional model known as XY model.In XY model one can show that the main responsible for the phase transition are the vortices (or still, vortice-antivortice pairs). Villain, noting this fact, realized that could to turn explicit the contribution of theses topological defects in the partition function of XY model making a duality transformation. This model inspired us to study the subject of this master thesis. We presented here a model based in physical considerations about systems of condensed matter. At the same time we used a formalism developed in reference [29] that permits to turn explicit the contribution of these vortices in the original action proposed in our theory. Finally we analysed some classical limits and we looked for the quantum fluctuations to obtain the complete expression of the correlation function of vortices, whose utility is in the study of interacting vortices is wide (vortex dynamics).

Utilizamos o método de Monte-Carlo de campo médio, proposto por Netz e Berker, para estudar o comportamento termodinâmico dos modelos de Ising e de Blume-Capel numa rede quadrada. Esse método mistura conceitos de amostragem aleatória (Monte Carlo) com equações de campo médio usual. Seus autores afirmam que o método pode permitir representações de diagramas de fase com amostragens muito menores do que as usadas nas simulações de Monte Carlo convencionais e com a eliminação de certas consequências indesejáveis da aplicação das equações de consistência de campo médio. Entretanto, não observamos, pelo menos nos modelos que foram estudados, uma tendência clara de redução de amostragens (número de passos de Monte Carlo) em relação a simulações computacionais pelos métodos conhecidos. Além disso, os nossos cálculos apontam na direção de uma grande semelhança com os resultados usuais de uma aproximação de Bethe-Peierls. Esses problemas devem ser somados ao fato de não haver uma boa explicação para o mecanismo do método de Netz e Berker, dada a dificuldade de estudar a dinâmica em que ele se baseia. / We have used the method of Monte Carlo Mean Field, recently proposed by Netz and Berker, to study the thermodynamic behavior of the Ising and Blume-Capel models on square lattices. This method merges concepts of stochastic sampling (Monte Carlo) with the usual mean-field equations. Their authors claim that the method permits representations of phase diagrams with much less samplings than those used in conventional Monte Carlo simulations, eliminating also certain undesirable consequences of the application of the mean - field consistency equations. However, we haven\'t observed, at least in the models we have studied, a clear tendency of a reduction of the samplings (number of Monte Carlo steps) compared with computational simulations by other known methods. Also, our calculations point to great resemblances with usual results given by Bethe-Peierls approximations. To these problems, we must add the fact that there is no good explanation for the machinery of Netz and Berker\'s method, given the difficulty of studying the stochastic dynamics on wich is based.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Nesse trabalho investigamos as propriedades vibracionais em monocristais D-Metionina, utilizando as espectroscopias Raman e Infravermelho. As medidas de espectroscopia Raman foram realizadas sob a variaÃÃo de pressÃo hidrostÃtica no intervalo de 0GPA atà 7GPa, mostraram duas transiÃÃes de fase, uma por volta 2.0GPa e outra em 2.5GPa, as quais foram detectadas no espectro Raman atravÃs das mudanÃas exibidas pelos picos associados principalmente Ãs vibraÃÃes atribuÃdas à carboxila (CO2-), amina (NH3+), , ligaÃÃes CS e CSC e grupos CH2 e CH3. Esses modos vibracionais tambÃm foram sensibilizados em baixas temperaturas, sendo que suas mudanÃas serviram como referÃncia para identificar a transiÃÃo de fase nas medidas de espalhamento infravermelho no intervalo de temperatura de 298K a 84K. Nas medidas de espalhamento Raman de 298K a 13K, a transiÃÃo foi identificada pelo surgimento do modo translacional em 91 cm-1 por volta de 84K. AlÃm disso, nesse trabalho comparamos o comportamento das mudanÃas apresentadas na rede cristalina dos monocristais de D-metionina de L-metionina sob condiÃÃes extremas de pressÃo. / In this work we have been investigated the vibrational properties of the D-methionine single crystals using the Raman and Infrared spectroscopies. The Raman spectroscopy measurements were performed under varying hydrostatic pressure from 0 GPa up to 7.0 GPa, indicated two transitions, one around 2.0 GPa and another in 2.5GPa, which were detected by changes of the vibrationals modes of the carboxilic (CO2-), amino (NH3+), CS, CSC, CH2 and CH3, respectively. These vibrationals modes also have been sensitized under low temperatures, whose changes have been helpful to identify the phase transition with the measurements of the infrared scattering from 298K up to 84K. In the measurements of the Raman scattering realized between 298K and 84K, the transition was identified by emerging of the translational mode in 91 cm-1 around 84K. Further, in this work we have been compared changes presented by crystal lattice between D-methionine and L-methionine under extremes conditions of the pressure.

Neste trabalho estudamos as transições de fases cinéticas e o comportamento crítico da produção de entropia em modelos de spins com interação entre primeiros vizinhos e sujeitos a duas dinâmicas de Glauber, as quais simulam dois banhos térmicos a diferentes temperaturas. Para tanto, é admitido que o sistema corresponde a um processo markoviano contínuo no tempo o qual obedece a uma equação mestra. Dessa forma, o sistema atinge naturalmente estados estacionários, que podem ser de equilíbrio ou de não-equilíbrio. O primeiro corresponde exatamente ao modelo de Ising, que ocorre quando o sistema se encontra em contato com apenas um dos reservatórios. Dessa forma, há uma transição de fase na temperatura de Curie e o balanceamento detalhado é seguramente satisfeito. No segundo caso, os dois banhos térmicos são responsáveis por uma corrente de probabilidade que só existe visto que a reversibilidade microscópica não é mais verificada. Como conseqüência, nesse regime de não-equilíbrio o sistema apresenta uma produção de entropia não nula. Para avaliarmos os diagramas de fase e a produção de entropia utilizamos as aproximações de pares e as simulações de Monte Carlo. Além disso, admitimos que a teoria de escala finita pode ser aplicada no modelo. Esses métodos foram capazes de preverem as transições de fases sofridas pelo sistema. Os expoentes e os pontos críticos foram estimados através dos resultados numéricos. Para a magnetização e a susceptibilidade obtemos = 0,124(1) e = 1,76(1), o que nos permite concluir que o nosso modelo pertence à mesma classe de Ising. Esse resultado refere-se ao princípio da universalidade do ponto crítico, que é verificado devido o nosso modelo apresentar a mesma simetria de inversão que a do modelo de Ising. Além disso, as aproximações de pares também mostraram uma singularidade na derivada da produção de entropia no ponto crítico. E as simulações de Monte Carlo nos permitem sugerir que tal comportamento é uma divergência logarítmica cujo expoente crítico associado vale 1. / We study kinetic phase transitions and the critical behavior of the entropy production in spin models with nearest neighbor interactions subject to two Glauber dynamics, which simulate two thermal baths at different temperatures. In this way, it is assumed that the system corresponds to a continuous time Markov process which obeys the master equation. Thus, the system naturally reaches steady states, which can be equilibrium or nonequilibrium. The former corresponds exactly to the Ising model, which occurs since the system is in contact with only one of the reservoirs. In this case, there is a phase transition at the Curie temperature and the detailed balance surely holds. In the second case, the two thermal baths create a non trivial probability current only when microscopic reversibility is not verified. As a consequence, there is a positive entropy production in a non-equilibrium steady state. Pair approximations and Monte Carlo simulations are employed to evaluate the phase diagrams and the entropy production. Furthermore, we assume that the finite-size scaling theory can be applied to the model. These methods were able to predict the phase transitions undergone by the system. The exponents and the critical points were estimated by the numerical results. Our best estimates of critical exponents to the magnetization and susceptibility are = 0,124 (1) and = 1,76 (1), which allows us to conclude that our model belongs to the same class of Ising. This result refers to the principle of universality of the critical point, which is checked because our model has the same inversion symmetry of the Ising model. Moreover, the pair approximation also showed a singularity in the derivative of the entropy production at the critical point. And Monte Carlo simulations allow us to suggest that the divergence at the critical point is of the logarithmic type whose critical exponent is 1

Este trabalho busca descrever sistemas irreversíveis (aqueles que não obedecem ao balanceamento detalhado) usando o formalismo mecânico-estatístico que tem como base a dinâmica estocástica. Nossos principais objetivos são: (i) a investigação do comportamento crítico e das possíveis classes de universalidade em sistemas irreversíveis; (ii) a modelagem da dinâmica de propagação de epidemias. Primeiramente investigamos o modelo suscetível-infectado-recuperado (SIR) estocástico e espacialmente estruturado. Nesse modelo, os indivíduos são divididos em três classes: suscetível (S), infectado devido ao contato com um vizinho infectado, e um individuo infectado pode recuperar-se espontaneamente. Este modelo exibe transição de fase em que a doença se espalha e uma fase em que não há espalhamento da doença. Tratando cada par suscetível-infectado como uma conexão através da qual pode haver propagação da epidemia, mostramos que é possível estabelecer uma conexão entre o modelo SIR e o modelo de percolação. Assim, pudemos utilizar métodos da teoria de percolação usual para determinar o limiar de espalhamento epidêmico. Por meio de aproximações de campo médio dinâmico, simulações computacionais de Monte Carlo estacionárias e simulações dependentes do tempo, determinamos o ponto critico e o comportamento critico desse modelo. Ademais, propomos dois modelos para descrever um processo epidêmico de transmissão vetorial. Consideramos duas populações interagentes uma formada por vetores e a outra por hospedeiros. Os vetores podem ser suscetíveis (S) ou infectados (I), enquanto os estados permitidos para os hospedeiros são os mesmos do modelo SIR. O processo de transmissão da doença ocorre devido ao contato local de um hospedeiro (vetor) suscetível com um vetor (hospedeiro) infectado. Determinamos o limiar de infecção, o tamanho da epidemia e mostramos que ambos os modelos exibem transições de fase de segunda ordem e que pertencem à classe de universalidade da percolação dinâmica isotrópica. / This study aims to describe irreversible systems (those that do not obey detailed balance) using a statistical mechanics formalism based on stochastic dynamics. Our main objectives are: (i) to investigate the critical behavior and the possible universality classes in irreversible systems; (ii) and modeling the dynamics of epidemic spreading. First we investigate the stochastic and spatially structured susceptible-infected-recovered model (SIR). In this model, individuals are divided into three classes: susceptible (S), infected (I) and recovered (R). A susceptible individual may become infected due to contact with an infected neighbor, and an infected individual may recover spontaneously. This model exhibits a phase transition between a phase in which the epidemic spreads and a phase where there is no spreading of the disease. Treating each susceptible-infected pair as a connection through which there may be epidemic spreading, we show that it is possible to establish a connection between the SIR model and the percolation model. Thus we are able to use methods of the theory of standard percolation for determining the epidemic spreading. By means of dynamic mean-field approximations and stationary and time-dependent computational Monte Carlo simulations, we determine the critical point and critical behavior of this model. In addition, we propose two models to describe the vector transmitted epidemic process. We consider two interacting populations, one formed by vectors and other by hosts. The vectors may be susceptible (S) or infected (I), where the states allowed for the hosts are the same as those in the SIR model. Transmission of the disease occurs due to contact between a local host (vector) and a susceptible vector (host) infected. We determine the threshold of infection, the size of the epidemic, and show that both models exhibit second order phase transitions that belong to the universality class of dynamic isotropic percolation.

A dependência com a temperatura dos tempos de relaxação nuclear e da forma da linha de ressonância dos núcleos F0, nos antiferromagnetos diluidos Fex Zn1-x F2 e Mnx Zn1-x F2, foram estudados na faixa TN&#8804;T&#8804;300K. Os tempos de relaxação spin, rede (1/T1) dos núcleos F0, os quais não estão acoplados aos spins Fe (ou Mn) através da interação hiperfina transferida, foram medidos e calculados teoricamente em função da concentração x. Os resultados teóricos apresentam uma boa concordância com os dados experimentais para concentrações na faixa 0.1&#8804;x&#8804;0.8. A dependência com a temperatura de 1/T1, para TN<T&#8804;300K foi entendido qualitativamente em ambos sistemas. Os resultados obtidos para 1/T1, em temperaturas próximas de TN foram utilizados para estudar os \"Efeitos de Campo Aleatório\" no comportamento crítico do Mn.65Zn.35 F2 com o campo aplicado paralelamente e perperdicularmente ao eixo fácil (C). Encontrou-se neste caso, que a temperatura de transição TN decresce substancialmente com o aumento da intensidade do campo somente quando H0 || C. Os resultados experimentais obtidos estão de acordo com as teorias do Efeito de Campos Aleatórios em antiferromagnetos anisotrópicos diluídos. A divergência crítica do segundo momento da linha de ressonância não homogeneamente alargada do F0 foi estudada acima de TN. Os resultados experimentais concordam com os cálculos de Heller para o alargamento não homogêneo causado por Efeitos de Campos Aleatórios. Observou-se que a forma da linha se altera na região crítica. Longe de TN ela é Gaussiana e para t&#8804;10-2 ela mostra uma tendência a se tornar Lorentziana. Abaixo de TN a sua meia largura aumenta, seguindo qualitativamente o aumento da magnetização das sub-redes. / The temperature dependence of the nuclear relaxation rates and line shapes of the F0 resonance in the diluted antiferromagnet Fex Zn1-x F2 and Mnx Zn1-x F2 are studied over a large temperature range TN&#8804;T&#8804;300K. The high (room) temperature spinlattice relaxation rates (1/ T1) of the F0 nuclei, which are not transfer hiperfine coupled to the Fe (or Mn) spins, have been measured and calculated as a function of the concentration x. Good agreement with experiment is found for the theoretical results, which have been obtained in the range 0.1&#8804;x&#8804;0.8. The temperature dependence of TN<T&#8804;300K was qualitatively understood \"Random Field Effects\" on the critical behavior of Mn.65Zn.35 F2, for fields applied parallel and perpendicular to the easy (C) axis. It was found that the transition temperature TN depressed substantially with field only for H0 || C. The experimental results are in general accord with the theory for Random Field Effects in desordered, anisotropic antiferromagnets. The critical divergence of the in homogeneously broadened F0 NMR was studied in Fe.6Zn.4F2 above TN. The experimental results agree with Heller\'s calculation of the NMR line broadening by Random Field Effects. With H0 || C the line shape changes from Gaussian towards Lorentzian for t&#8804;10-2 and below TN its line width increase qualitatively following increase in the sublattice magnetization.

Transições de fase termodinâmicas são usualmente estudadas por meio do ensemble canônico e estão associadas a sistemas macroscópicos. Entretanto, tem-se tornado cada vez mais frequente e importante o estudo de sistemas físicos pequenos, cujos alcances característicos das interações equivalem aos tamanhos dos sistemas. Nestes casos pode haver inequivalência entre grandezas físicas obtidas nos ensembles canônico e microcanônico. Encontramos inúmeros exemplos destes sistemas em diversas áreas da Física. Na área de matéria condensada temos, por exemplo, o modelo Blume-Capel com interações de alcance infinito. Neste modelo as soluções exatas canônica e microcanônica são inequivalentes. Este modelo é investigado nesta tese por meio de um ensemble interpolante, conhecido como gaussiano estendido, como uma aplicação teórica preliminar. Adicionalmente, empregamos o arcabouço mecânico-estatístico no estudo de certas biomoléculas com ampla importância biológica: proteínas. Atualmente o estudo do comportamento termodinâmico destas moléculas tem ficado restrito quase que exclusivamente a abordagem via ensemble canônico. Neste trabalho analisamos os resultados da etapa microcanônica de simulações multicanônicas procurando obter aspectos físicos de biomoléculas como os domínios Src SH3 (pdb: 1NLO) e as Príons humanas (pdb: 1HJM). Caracterizamos com esta abordagem as transições de fase de enovelamento e de agregação destes sistemas. Os resultados obtidos são interpretados à luz da termoestatística microcanônica, oferecendo um ponto de vista fenomenológico alternativo à abordagem usual. / Thermodynamic phase transitions are usualy studied by the canonical ensemble and they are associated to macroscopic systems. However, it is becoming more frequent and important the study of small physical systems: whose characteristic interaction-lengths are equivalent to system sizes. In these cases there can happen inequivalences among quantities computed im the canonical and microcanonical ensembles. There are inumerous examples of that systems in various areas of physics. In the field of condensed matter there is for instance the Blume-Capel model with infinite-range interactions. The canonical and microcanonical exact solutions of this model are inequivalents. That model is investigated on this thesis through an interpolating ensemble, known as the extended gaussian, as a preliminar theoretical application. Additionally, we have employed the statistic-mechanical framework to study some biomolecules of large biological interest: proteins. Nowadays the study of the thermodynamic behavior of that molecules has been restricted almost only to the canonical approach. However, in this work we have analysed by the microcanonical step of multicanonical simulations the physical aspects of biomolecules as the domain Src SH3 (pdb: 1NLO) and the human Prions (pdb: 1HJM). Thus, we characterize with this approach the phase transitions of folding and aggregation of that systems. The results obtained are interpretated under the light of the microcanonical thermostatistics, offering an alternative phenomenological viewpoint.

La première partie de ma thèse est consacrée à l’étude de l’auto-organisation de souches génétiquement modifiées de bactéries Escherichia coli. Ce projet, réalisé en collaboration avec des biologistes synthétiques de l’Université de Hong Kong, a pour objectif l’exploration et le décryptage d’un nouveau mécanisme d’auto-organisation dans des colonies bactériennes multi-espèces. Cela a été inspiré par la question fascinante de comment les écosystèmes bactériens comprenant plusieurs espèces de bactéries peuvent s’auto-organiser dans l’espace. En considérant des systèmes dans lesquels deux souches de bactéries régulent mutuellement leurs motilités, j’ai pu montrer que le contrôle de densité réciproque est une voie générique de formation de motifs: si deux souches tendent à faire augmenter mutuellement leur motilité (la souche A se déplace plus vite quand la souche B est présent, et vice versa), ils subissent un processus de formation de motifs conduisant à la démixtion entre les deux souches. Inversement, l’inhibition mutuelle de la motilité conduit à la formation de motifs avec colocalisation. Ces résultats ont étévalidés expérimentalement par nos collaborateurs biologistes. Par la suite, j’ai étendu mon étude à des systèmes composés de plus de deux espèces en interaction, trouvant des règles simples permettant de prédire l’auto-organisation spatiale d’un nombre arbitraire d’espèces dont la motilité est sous contrôle mutuel. Cette partie de ma thèse ouvre une nouvelle voie pour comprendre l’auto-organisation des colonies bactériennes avec des souches concurrentes, ce qui est une question importante pour comprendre la dynamique des biofilms ou des écosystèmes bactériens dans les sols. Le deuxième problème traité dans ma thèse est inspiré par le comportement collectif des moteurs moléculaires se déplaçant le long des microtubules dans le cytoplasme des cellules eucaryotes. Un modèle pertinent pour le mouvement des moteurs moléculaires est donné par un système paradigmatique de non-équilibre appelé Processus Asymmetrique d’Exclusion Simple, en anglais Asymmetric Simple Exclusion Process (ASEP). Dans ce modèle sur réseau unidimensionnel, les particules se déplacent dans les sites voisins vides à des taux constants, avec un biais gauche-droite qui déséquilibre le système.Lorsqu’il est connecté à ses extrémités à des réservoirs de particules, l’ASEP est un exemple prototypique de transitions de phase unidimensionnelles guidées par les conditions aux limites. Les exemples réalistes, cependant, impliquent rarement une seule voie:les microtubules sont constitués de plusieurs pistes de tubuline auxquelles les moteurs peuvent s’attacher. Dans ma thèse, j’explique comment on peut théoriquement prédire le comportement de phase de systèmes à plusieurs voies complexes, dans lesquels les particules peuvent également sauter entre des voies parallèles. En particulier, je montre que la transition de phase unidimensionnelle vue dans l’ASEP survit cette complexité supplémentaire mais implique de nouvelles caractéristiques telles que des courants transversaux stables non-nulles et une localisation de cisaillement. / The first part of my thesis is devoted to studying the self-organization of engineered strains of run-and-tumble bacteria Escherichia coli. This project, carried out in collaboration with synthetic biologists at Hong Kong University, has as its objective the exploration and decipherment of a novel self-organization mechanism in multi-species bacterial colonies. This was inspired by the fascinating question of how bacterial ecosystems comprising several species of bacteria can self-organize in space. By considering systems in which two strains of bacteria mutually regulate their motilities, I was able to show that reciprocal density control is a generic pattern-formation pathway: if two strains tend tomutually enhance their motility (strain A moves faster when strain B is present, and conversely),they undergo a pattern formation process leading to demixing between the two strains. Conversely, mutual inhibition of motility leads to pattern formation with colocalization. These results were validated experimentally by our biologist collaborators. Subsequently, I extended my study to systems composed of more than two interacting species, finding simple rules that can predict the spatial self-organization of an arbitrary number of species whose motility is under mutual control. This part of my thesis opens up a new route to understand the self-organization of bacterial colonies with competing strains, which is an important question to understand the dynamics of biofilms or bacterial ecosystems in soils.The second problem treated in my thesis is inspired by the collective behaviour ofmolecular motorsmoving along microtubules in the cytoplasm of eukaryotic cells. A relevant model for the molecularmotors’ motion is given by a paradigmatic non-equilibrium system called Asymmetric Simple Exclusion Process (ASEP). In this one-dimensional lattice- based model, particles hop on empty neighboring sites at constant rates, with a leftright bias that drives the systemout of equilibrium. When connected at its ends to particle reservoirs, the ASEP is a prototypical example of one-dimensional boundary driven phase transitions. Realistic examples, however, seldom involve only one lane: microtubules are made of several tubulin tracks to which the motors can attach. In my thesis, I explained how one can theoretically predict the phase behaviour of complex multilane systems, in which particles can also hop between parallel lanes. In particular, I showed that the onedimensional phase transition seen in the ASEP survives this additional complexity but involves new features such as non-zero steady transverse currents and shear localization.

Le lien entre la structure semi-cristalline et les propriétés d’usage (mécaniques, diélectriques et électro-actives) de films de copolymères fluorés électro-actifs développés pour des applications en électronique organique imprimée a été étudié. Les matériaux investigués sont des copolymères poly(VDF-co-TrFE) et des terpolymères poly(VDF-ter-TrFE-ter-CTFE) à base de fluorure de vinylidène (VDF), trifluoroéthylène (TrFE) et chlorotrifluoroéthylène (CTFE).Les films de polymères obtenus par évaporation du solvant sont étudiés par diffraction des rayons X (SAXS-WAXS), DSC, FTIR, DMA, spectroscopie diélectrique et cycles de polarisation afin de mettre en évidence l’impact de la composition et de la mise en forme (recuit, polarisation) sur la structure et les propriétés finales du matériau. Nous montrons ainsi qu’au sein des films de copolymères, la phase ferroélectrique (FE) coexiste avec une phase ferroélectrique défective (DFE). La fraction croissante de cette phase DFE avec la teneur en TrFE permet d’expliquer l’évolution des propriétés thermiques dont la transition de Curie. Une transition structurale continue, de la phase DFE vers la phase paraélectrique (PE), en température a été mise en évidence.La teneur en termonomère CTFE influence fortement la structure cristalline et les propriétés électro-actives des films de terpolymères (disparition du caractère ferroélectrique au profit du caractère ferroélectrique relaxeur (RFE)). Nous prouvons pour la première fois l’existence d’une transition structurale continue entre la phase RFE et la phase PE au voisinage de la température ambiante. Cette transition permet d’expliquer les propriétés exacerbées de ces matériaux (constante diélectrique et déformation sous champ électrique). Enfin, des analogies de comportement entre les copolymères et les terpolymères sont discutées, notamment l’évolution des phases cristallines sous champ électrique, afin de mieux comprendre le fonctionnement de ces polymères électro-actifs pour leur futur développement au niveau industriel. / The relationship between semi-crystalline structure and properties of use (mechanical, dielectric and electroactive) of fluorinated copolymer films was studied for applications in organic electronics. Investigated materials are poly(VDF-co-TrFE) copolymers and poly(VDF-ter-TrFE-ter-CTFE) terpolymers based on vinylidene fluoride (TrFE), trifluoroethylene (TrFE) and chlorotrifluoroethylene (CTFE). Polymer films, obtained after solvent evaporation, are studied by X-ray diffraction (SAXS-WAXS), DSC, FTIR, DMA, dielectric spectroscopy and polarization cycles in order to highlight the impact of composition and processing (annealing, poling) on structure and final properties of material. We showed that the ferroelectric (FE) phase coexists with the defective ferroelectric (DFE) phase in copolymer films. The increasing fraction of DFE phase with TrFE content allows explaining the evolution of thermal properties. A continuous structural transition, from DFE phase to paraelectric (PE) phase was highlighted. The CTFE termonomer content highly influences the crystalline structure and the electro-actives properties of terpolymer films (loss of ferroelectric behavior in favor of relaxor ferroelectric (RFE) behavior).We proved for the first time the existence of a continuous structural transition between RFE phase and PE phase around room temperature. This transition allows explaining exacerbated properties of these materials (dielectric constant and deformation under electric field).Finally, analogies of behavior between copolymers and terpolymers are discussed, especially the evolution of crystalline phases under electric field, in order to better understand how these electro-active materials work for their future development at industrial level.