PhD Thesis : “In this work, we focus on a droplet, that can bounce on a liquid surface. More surprisingly this droplet can even move along a liquid surface. It is propelled by its own waves, generated at each bounce, and evolves at a well defined speed. This curious macroscopic object is called a « walker ». Moreover, it seems to present various analogies with the world of quantum mechanics and it has fascinated the scientists since its discovery in 2005 [34]. Indeed, the droplet is associated with its own waves, such that the droplet behaviour is intimately linked to the waves, which is a striking curiosity. In this thesis, we investigate further this subject of a droplet between wave-particle physics and fluid mechanics. Various experiments have been performed for a better understanding of walkers. They cover a wide range of 2d systems [35]. Some experiments develop methods to confine or trap droplets, upon using 2d harmonic potential (…)
However, there are only a few studies reported on a 1d system droplet. We wonder then, how to confine a droplet in 1d. Can we find a method to constrain its trajectory along a 1d path? Can experiments of walkers in 1d open new doors through other curiosities related to quantum mechanics? If not, how close to the wave-particle physics can we go? Is the walker entity a real analog to the quantum world, or just a curiosity ? As a starting point, we study the influence of the liquid height on the droplet behaviour. We wonder then how a linear cavity can trap a drop, and how the width of this cavity influences the confinement of a drop. How does droplet confinement affect the interactions between walkers? In this manuscript, we give answers to those different questions, and shed light on other curiosities.”

Proposition of an interferometer for walkers !

Filoux, B (2017), Walking droplet above cavities, Thèse, GRASP, Univ. Liège

orbi.ulg.be/bitstream/2268/214607/1/Thesis_BFiloux_WDAC.pdf

ABSTRACT  : “Yves Couder and coworkers have demonstrated that millimetric droplets walking on a vibrating fluid bath exhibit several features previously thought to be peculiar to the microscopic quantum realm, including single-particle diffraction, tunneling, quantized orbits, and wave-like statistics in a corral. We here develop an integro-differential trajectory equation for these walking droplets with a view to gaining insight into their subtle dynamics. The orbital quantization is rationalized by assessing the stability of the orbital solutions. The stability analysis also predicts the existence of wobbling orbital states reported in recent experiments, and the absence of stable orbits in the limit of large vibrational forcing. In this limit, the complex walker dynamics give rise to a coherent statistical behavior with wave-like features. We characterize the progression from quantized orbits to chaotic dynamics as the vibrational forcing is increased progressively. We then describe the dynamics of a weakly-accelerating walker in terms of its wave-induced added mass, which provides rationale for the anomalously large orbital radii observed in experiments.”

Oza, A. U. (2014). A trajectory equation for walking droplets: hydrodynamic pilot-wave theory (Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology).

https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/90191/890211673-MIT.pdf?sequence=2

Perrard, S. (2014). Une mémoire Ondulatoire: états propres, chaos et probabilités (Doctoral dissertation, Paris 7)

Résumé : Une goutte rebondissant sur un bain de liquide en vibration verticale peut se mettre spontanément en mouvement, sous l’action des ondes qu’elle a elle-même générées. Celles ci, appelées ondes de Faraday sont entretenues par la vibration du bain durant un temps de mémoire qui peut être contrôlé expérimentalement. Le champ d’ondes stationnaires généré par la goutte contient ainsi dans ses motifs d’interférence une mémoire de la trajectoire précédemment suivie. L’entité résultante appelée marcheur est caractérisée par cette interaction entre la goutte et les ondes qui l’entourent, via la mémoire de chemin. Cette thèse est consacrée à l’étude expérimentale et théorique de cette mémoire de chemin. Dans ce but, une goutte de liquide encapsulant un volume de ferrofluide est piégée dans un puits de potentiel harmonique d’origine magnétique. La goutte sera ainsi amenée à interagir avec les ondes qu’elle a précédemment générées. Ce confinement induit un processus d’auto-organisation entre la goutte et l’onde sous-jacente qui mène à des comportements de type ondulatoire pour une particule. Les notions de quantifications ou de probabilité de mesure d’un état propre peuvent ainsi être appliquées au cas d’un marcheur. Ces comportements révèlent que le marcheur est un exemple d’objet étendu en temps qui ne peut être réduit à une approximation ponctuelle rappelant, dans un tout autre contexte, la théorie de l’onde pilote développée par de Broglie au début du XXème siècle

A droplet bouncing on a vertically vibrated liquid bath can be self-propelled by the surface waves it generates. Theses Faraday waves are sustained by the vertical bath vibration for a memory time which can be tuned experimentally. The wave field thus contains in its interference pattern a memory of the past-trajectory. The resulting entity called a walker is characterized by the interaction between the drop and its surrounding waves through this path-memory. This thesis is devoted to an experimental and theoretical investigation of such a wave-mediated path-memory. For this purpose a bouncing drop is magnetically loaded with a droplet of ferrofluid and can then be trapped in an harmonie well. The drop is thus forced to interact with its own path. The confinement induces a self-organization process between the particle and its wave packet, leading to wave-type behavior for a particle. Notions such quantization or probability of measuring an eigenstate can thus be used for the walker dynamics description. These features originate from the temporal coherence of the walker’ s dynamics. In that sense, the walker is an entity extended in time, we cannot reduce to a point-like approximation. It reminds us, in another context, the pilot wave theory developped by de Broglie at the beginning of the XXst century.

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01158368/document

“À l’échelle macroscopique, les ondes et les particules sont des objets distincts. La découverte d’objets appelés marcheurs, constitués d’une goutte rebondissant sur un bain liquide vibré verticalement, a montré qu’il n’en était rien. La goutte est autopropulsée, guidée sur la surface du liquide par l’onde qu’elle a elle-même créée lors des rebonds précédents. Ces objets possèdent une dynamique originale dominée par le concept de mémoire de chemin. La structure du champ d’onde qui guide la goutte dépend, en effet, de la position des rebonds passés disposés le long de la trajectoire. La profondeur de cette mémoire peut, de plus, être contrôlée expérimentalement en changeant l’accélération du bain. De nombreuses réalisations expérimentales ont mis en évidence les comportements dynamiques singuliers de ces systèmes couplés goutte/onde. Cette thèse répond à la nécessité d’une compréhension théorique des effets non locaux en temps introduit par la mémoire de chemin. Pour ce faire, nous étudierons l’évolution d’un marcheur numérique en potentiel harmonique bidimensionnel. Un ensemble relativement restreint de trajectoires stables est obtenu. Nous constaterons que ces dernières sont quantifiées en extension moyenne et en moment angulaire moyen. Nous analyserons comment s’imbriquent les différentes échelles de temps de la dynamique, permettant ainsi de dissocier les termes propulsifs à temps court de l’émergence de structures ondulatoires cohérentes à temps long. Nous verrons en quoi l’expression du caractère non-local d’un marcheur permet d’en révéler les symétries internes et d’assurer la convergence du système dynamique vers un jeu d’états propres de basse dimension.”

Labousse, M. (2014). Étude d’une dynamique à mémoire de chemin: une expérimentation théorique (Doctoral dissertation, Université Pierre et Marie Curie UPMC Paris VI).

https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-01114815/document

“L’organisation du manuscrit est la suivante : dans le premier chapitre, nous rappelons les premieres experiences realisees avec les gouttes rebondissantes, en particulier les regimes ou elles sont statiques. Nous presentons egalement l’instabilite de Faraday qui permet d’expliquer le couplage entre goutte et ondes a l’origine des marcheurs. Leurs proprietes sont discutees, en particulier dans le cas des experiences de diraction. Dans un second chapitre, nous presentons le montage experimental ainsi que l’ensemble des techniques de mesure utilisees. Le troisieme chapitre est dedie a l’etude d’un analogue de l’eet tunnel pour les marcheurs. Le quatrieme est consacre a l’etude des ondes de surface generees par un marcheur, en particulier le lien avec l’instabilite de Faraday a l’origine de la memoire de chemin. Enfin, dans le chapitre cinq, nous analysons la nature des trajectoires circulaires d’un marcheur soumis a une force orthogonale au mouvement. L’in uence de la memoire de chemin sur la quantication des rayons est presentee en detail, pour comprendre comment cet analogue macroscopique des niveaux de Landau se met en place avec des marcheurs.”

Eddi, A. (2011). Marcheurs, Dualité onde-particule et Mémoire de chemin (Doctoral dissertation, Université Paris-Diderot-Paris VII).

http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/57/56/26/PDF/these_A_Eddi.pdf

Terwagne, D. (2011). Bouncing droplets, the role of deformations.

http://bictel.ulg.ac.be/ETD-db/collection/available/ULgetd-09262011-010800/unrestricted/2011_Terwagne_these.pdf

APENDIX C describes a automatic droplet generator

Protiere, S. (2007). Gouttes rebondissantes: une association onde-particule à échelle macroscopique (Doctoral dissertation, Université Paris-Diderot-Paris VII).

http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/19/26/20/PDF/these.pdf