Nonequilibrium Critical Phenomena: Exact Langevin Equations, Erosion of Tilted Landscapes
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Nonequilibrium critical phenomena : exact Langevin equations, erosion of tilted landscapes. Charlie Duclut To cite this version: Charlie Duclut. Nonequilibrium critical phenomena : exact Langevin equations, erosion of tilted landscapes.. Physics [physics]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2017. English. NNT : 2017PA066241. tel-01690438 HAL Id: tel-01690438 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01690438 Submitted on 23 Jan 2018 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE ÉCOLE DOCTORALE PHYSIQUE EN ÎLE-DE-FRANCE THÈSE pour obtenir le titre de Docteur de l’Université Pierre et Marie Curie Mention : PHYSIQUE THÉORIQUE Présentée et soutenue par Charlie DUCLUT Nonequilibrium critical phenomena: exact Langevin equations, erosion of tilted landscapes. Thèse dirigée par Bertrand DELAMOTTE préparée au Laboratoire de Physique Théorique de la Matière Condensée soutenue le 11 septembre 2017 devant le jury composé de : M. Andrea GAMBASSI Rapporteur M. Michael SCHERER Rapporteur M. Giulio BIROLI Examinateur Mme Leticia CUGLIANDOLO Présidente du jury M. Andrei FEDORENKO Examinateur M. Bertrand DELAMOTTE Directeur de thèse Remerciements First of all, I would like to thank the referees Andrea Gambassi and Michael Scherer for taking the time to carefully read the manuscript. I also thank the other jury members, Giulio Biroli, Leticia Cugliandolo, and Andrei Fedorenko, for accepting to get into my work and evaluate it. Mes remerciements vont ensuite à Bertrand Delamotte, mon directeur de thèse, pour l’im- mense pédagogie dont il a su faire preuve pendant mes trois années de thèse. Je le remercie pour toutes les explications et les nombreux éclaircissements qu’il m’a donnés, pour le recul qu’il m’a permis de prendre sur mon travail. Sans lui, ce manuscrit n’aurait bien évidemment pas pu voir le jour. Je remercie également chaleureusement Julien Vidal, parrain de thèse et d’escalade, pour ses nombreux conseils, son soutien, et les nombreuses escapades à Fontainebleau et en montagne, qui je l’espère continueront après mon départ du laboratoire. Je le remercie également, ainsi qu’Ivan Dornic, pour leur relecture de mon manuscrit. Merci aussi à Hugues Chaté et Ivan, avec lesquels j’ai beaucoup apprécié collaborer, pour leurs conseils et recommandations pour ma recherche de postdoc. Mon séjour de trois ans au LPTMC n’aurait pas été le même sans toutes les personnes qui le composent : en particulier, je remercie vivement Pascal Viot, son directeur, pour sa présence et sa disponibilité. Merci également aux secrétaires et comptables du laboratoire, Diane Domand, Sylvie Dalla Foglia et Liliane Cruzel pour leur gentillesse, leur patience et leur aide. Merci également à Michel Quaggetto pour les nombreux problèmes informatiques qu’il m’a aidé à résoudre. Merci à Boris Mantisi et Annie Lemarchand pour leurs crumbles et autres gâteaux improvisés qui ont pu adoucir et réchauffer certaines après-midis d’hiver. Merci aux anciens thésards et post- docs qui m’ont précédé au laboratoire, Thibault Debelhoir, Frédéric Léonard, Simon Moulieras, Elena Tarquini, et Andréas Tresmontant pour toutes les pauses café et les soirées autour d’un verre. Merci en particulier à Fred et Thibault pour les discussions politiques, les ateliers pancar- tes et les discosoupes. Merci aussi à Fred de m’avoir initié à la gymnastique, et à Thibault pour toutes les discussions, pour sa gentillesse et son altruisme. Un grand merci également aux doctorants de mon année avec lesquels j’ai beaucoup appré- cié passer du temps dans et hors du labo : Chloé, Charlotte, Elsa, Félix, Nico et Stanley. En trois années ils sont devenus bien plus que des collègues et ils me manqueront beaucoup en Allemagne ! Merci en particulier à Chloé et Elsa pour avoir rendu bien plus faciles nos longues soirées de rédaction. Merci à mes compagnons de grimpe, qui sans cesse me rappellent la valeur d’un sandwiche et d’un verre d’eau. Un immense merci à sketchy Tonio, le premier compagnon des sorties régulières à Bleau, à Alexis le téméraire, à Jean et à ses messages ambivalents voire ambidextres, et à John qui les déteste, à Édith le panda, à Quentin qui pourrait s’acheter un sac de sport, à Marion l’alpiniste qui revient de loin, et merci bien sûr à Léo, celui qui a choisi l’autre voie et qui m’a beaucoup fait douté. Merci aussi à Guillaume et Raphaël qui prennent la relève des grimpeurs parisiens ! Merci évidemment à l’AS de Jussieu (et ses nombreuses ramifications) et surtout à ses membres tous passionnés et passionnants : Adeline, Charlotte, Christophe, Constant, Flavien, Goki, Horace, Jeanne, Julia, Kévin, Lucie, Manu, Maria Belen, Marie, Maud, i ii Romain, Thomas, Thomas... Merci également à mes colocataires pour les repas et tous les moments partagés, merci à Édouard – le seul vrai – pour les risottos, les mille-feuilles, et tous ses petits plats, et merci à ceux qui se sont succédés mais qui hantent encore les lieux : en particulier Baptiste, Marguerite, Joris, Arman et Thibaut. Un gigantesque merci à celles et ceux qui ne font pas (encore) d’escalade mais qui comptent beaucoup quand même : Delphine, Muriel, Marc l’insaisissable, Aïcha, Charlotte, Corentin, Erwan, Maxime mais également Lucie, Thibaut, Éléonore, David et bien d’autres. Merci bien sûr aussi à Maya, à Paul et à Édouard, qui sont là depuis si longtemps, qui ont toujours cru en moi, ont toujours su me donner beaucoup de confiance et que je n’oublie pas une seconde. Je remercie également mes parents, mon frère et ma sœur pour être simplement là, pour avoir su balayer mes hésitations lorsque j’en ai eues, pour m’avoir sans cesse soutenu dans mes choix et mes études. To Bibu Contents Introduction 1 I Scale invariance, universality and renormalization group7 I.1 Scale invariance and phase transitions........................8 I.1.1 Phase transitions................................8 I.1.2 Universality in the second-order phase transitions.............. 10 I.2 Renormalization group................................. 12 I.2.1 Integrating the microscopic degrees of freedom step by step........ 12 I.2.2 Universality seen by the renormalization group............... 15 I.2.3 An example: the central-limit theorem seen by the RG........... 19 I.3 The nonperturbative renormalization group..................... 20 I.3.1 Exact renormalization group equation for the action............ 20 I.3.2 The effective average action method..................... 21 I.3.3 An example: the φ4 theory........................... 28 I.3.4 Results...................................... 32 I.4 NPRG: some answers to its criticisms......................... 36 I.4.1 NPRG results.................................. 36 I.4.2 Retrieving the one-loop perturbative results................. 39 I.4.3 Controlling the approximations........................ 43 I.5 Conclusion....................................... 46 II Out-of-equilibrium phase transitions 49 II.1 Summary of the different Langevin equations.................... 51 II.2 Mesoscopic description: the Langevin equation................... 51 II.2.1 A phenomenological approach........................ 52 II.2.2 Numerical resolution of a Langevin equation................. 55 II.2.3 Field theory for a Langevin equation..................... 57 II.3 Microscopic description: the master equation.................... 60 II.3.1 Reaction-diffusion processes.......................... 60 II.3.2 Master equation for reaction-diffusion processes............... 67 II.3.3 Field theory for reaction-diffusion processes: the Doi-Peliti formalism... 69 II.4 Langevin equations for reaction-diffusion processes................. 73 II.4.1 Approximate derivation of a Langevin equation............... 74 II.4.2 Microscopic Langevin equation and imaginary noise............ 76 II.5 Microscopic Langevin equation and duality formalism................ 81 II.5.1 Langevin equation in the duality formalism................. 81 II.5.2 Duality in the field-theoretical context.................... 83 II.5.3 Duality in the probability-generating function formalism.......... 90 II.6 Conclusion....................................... 91 v vi CONTENTS III Frequency regulator 93 III.1 NPRG approach to nonequilibrium.......................... 96 III.1.1 Effective average action and exact flow equation.............. 96 III.1.2 Some general properties of the out-of-equilibrium regulator........ 97 III.2 The model A as a benchmark............................. 98 III.2.1 Model A, field theory and fluctuation-dissipation theorem......... 98 III.2.2 NPRG formulation............................... 100 III.2.3 NPRG results without a frequency regulator................. 104 III.2.4 NPRG results with a frequency regulator................... 106 III.3 Conclusion....................................... 110 IV Landscape erosion 111 IV.1 Experimental facts and models............................ 112 IV.1.1 Experimental data............................... 112 IV.1.2 Minimal ingredients for an erosion model.................. 115 IV.1.3 Large length scale: the Kardar-Parisi-Zhang