Phase Field Crystal Modeling of Active Matter

Active matter describes systems that convert energy from their environment into directed motion. Therefore, these systems are in intrinsic nonequilibrium, unlike their passive counterparts. From a theoretical point of view, such active systems have been modeled by agent-based models, as well as hydrodynamic approaches, which allowed for the investigation of a wide range of observed collective phenomena characterizing active matter. In this thesis we develop a microscopic field-theoretical approach to describe generic properties of active systems. This description combines the phase field crystal model with a polar order parameter and a self-propulsion term. First, we validate this approach by reproducing results obtained with corresponding agent-based models, such as binary collisions, collective migration and vortex formation. We also perform a direct comparison between our model and a microscopic phase field description of active matter. Next, we use this continuum approach to simulate some larger active systems and to analyze the coarsening process in active crystals, as well as the mechanisms leading to mobile clusters. We show the generality of our approach by extending it to binary mixtures of interacting active and passive particles. Also in this case, we first validate the model by reproducing known results, such as enhanced crystallization via active doping and the suppression of collective migration in an active bath in the presence of fixed obstacles. Interestingly, for the regime of mobile passive particles in an active bath a laning state is found, which is characterized by an alignment of the active particles that is globally nematic, but polar within each lane. This state represents a theoretical prediction feasible to be validated experimentally. Finally, we explore the field of topological active matter. We develop an agent-based model to describe self-propelled particles on curved surfaces and study the complex spatiotemporal patterns that emerge.Aktive Materie beschreibt Systeme, die Energie aus ihrer Umgebung in gerichtete bewegung umwandeln. Im Gegensatz zur passiven Materie befinden sich diese Systeme nie im physikalischen Gleichgewicht und offenbaren dadurch interessante physikalische Phänomene. Vom theoretischen Standpunkt her wurde aktive Materie bereits simuliert, typischerweise durch agenten-basierte Modelle oder hydrodynamische Ansätze, die es ermöglichen eine Vielzahl der auftretenden kollektiven Bewegungsprinzipien zu untersuchen. In dieser Doktorarbeit entwickeln wir einen mikroskopischen Kontinuumsansatz um die generischen Eigenschaften von aktiven Systemen zu untersuchen. Unsere Beschreibung kombiniert das Phasenfeld-Kristall Modell mit einem polaren Ordnungsparameter und einem Antriebsterm. Zuerst validieren wir den Ansatz durch Reproduktion bekannter Ergebnisse agenten-basierter Modelle, wie binäre Kollisionen, kollektive Bewegung und Wirbelformationen. Des Weiteren führen wir einen direkten Vergleich zwischen unserem Modell und einer mikroskopischen Phasenfeldbeschreibung aktiver Materie durch. Danach nutzen wir den kontinuierlichen Ansatz um große aktive Systeme zu simulieren und analysieren den Vergröberungsprozess in aktiven Kristallen und Mechanismen der mobilen Aggregatbildung. Wir illustrieren die Allgemeingültigkeit unseres Simulationsansatzes durch die Erweiterung auf binäre Systeme, in denen sowohl aktive als auch passive Partikel enthalten sind. Auch in diesem Fall validieren wir das Modell durch Vergleiche mit bekannten Resultaten, wie zum Beispiel die verstärkte Kristallisation durch aktives Doping oder die Unterdrückung kollektiver Bewegung durch die Einführung von Hindernissen in einem aktiven Bad. Interessanterweise finden wir bei der Präsenz mobiler passiver Partikel in einem aktiven Bad einen Fahrspur-Zustand, in welchem die aktiven Partikel nematische Fahrspuren bilden und sich nur jeweils innerhalb einer Fahrspur nematisch polar anordnen. Dieser bisher unbekannte Zustand stellt eine theoretische Vorhersage dar, die experimentell geprüft werden kann. Schließlich begeben wir uns auf das Gebiet der topologischen aktiven Materie. Wir entwickeln ein agenten-basiertes Modell um selbst-angetriebene Partikel auf gekrümmten Oberflächen zu beschreiben und untersuchen die dabei auftretenden zeitlich und räumlich komplexen Muster.%, die dabei auftreten