具备局域巨涨落的超匀称两相流——这种新的特异性流体形-必威体育官网_必威体育app_必威app

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无序超均匀态

物质是具有局域巨涨落的超匀称两相流——这种新的特异性流体形-必威体育官网_必威体育app_必威app由粒子(原子/分子,颗粒)构成的。依据粒子空间的散布,一般可将物质分为有序态和无序态。前者包含周期性排布的晶体以及准晶,后者则包含气态,液体,玻璃态等。有序态,比方晶体,呈现纠正胯部广大的睡姿出的是均匀整齐的点阵结构(见图1B),而在无序态中,粒子的方位有很强的随机性,构成了散布的疏密不均(见图1A)。2003年,普林斯顿大学黑道圣皇S. Torquato教授提出了一种介于无序和有序之间的一种新的物态,即无序超均匀态。这种物态首先是无序的(粒子的散布显得毫无规则),可是却有着和晶体相同的均匀性(见图1C)。超均匀态作为一种新的物态,尽管短少平移对称性,但却能像晶体相同发作光子带隙。不仅如此,不同于各向异性的光子晶体带隙,无序超均匀态的光子带隙是各向同性的,而且更简略翻开。鸟类视网膜上的视锥细胞鄂州榜首网也已被发现是无序超均匀态。这种进化得到的超均匀态被认具有局域巨涨落的超匀称两相流——这种新的特异性流体形-必威体育官网_必威体育app_必威app为是鸟类具有反常敏锐视觉的原因。别的,在质数的散布,等离子体,硬球的密堆积,世界大规范结构,软物质胶体等系统中也发现了超均匀态存在的头绪。[1,2]

图1:系统均匀性可由窗口内的粒子数涨落(方差)跟着窗口巨细L的改动而改动的快慢程度或许标度率中的标度指数描写(d为维度)。=0意味着系统的粒子数涨落正比于粒子数N~Ld,即泊松进程或随机散布(图A); 而=1则意味系统有着晶体般的超均匀性(图B)。0<≤1都归于陈山超均匀态私处纹身。(图片修改泮托拉唑钠肠溶胶囊自[1])

活性物质系统中是否能发作无序超均匀态?

活性物质是由活性粒子组成的流体。活性粒子是指不依托外界能量而自发运动具有局域巨涨落的超匀称两相流——这种新的特异性流体形-必威体育官网_必威体育app_必威app的非平衡粒子。常见的活性物质包含鸟群,鱼群,人群,细胞组织,细胞的微管微丝,以及依托化学反应的自驱动胶体颗粒,他们表现出很强的团体运动行为。生机物质一个明显的特征是不需要招引就能够经过信息传递或许一些非平衡态机制自发集合,表现出“巨涨落”,气液相别离等杂乱的性质。生机物质的大涨落特性意味着系统密度散布极点地不均匀。这和超均匀性各走各路。可是最近新魔魅加坡南洋理工大学的一个理论研讨小组却发现这种看似敌对的两种极点涨落现象其实能够在同一个系统一起存在,相关作业近期宣布于闻名期刊Science Advances上。

图2:几种常见的活性物质系统(按次序):鸟群,鱼群,细胞微丝,自驱动胶体粒子。极度的不均匀和巨大的密度涨落是生机物质的特性之一。(图片来自网络)

研讨模型

作者研讨的玛雅文明生机物质是由能在二维平面上做圆周运动的自驱动粒子所构成(见图3A)。作者假定每个粒子的圆周运动具有相同的半径R和手性但初始相位彻底榜首随机。而且粒子的运动是由过阻尼(无加速度)而且无噪声确实定性(deterministic)动力学分配。初始时刻,粒子从随机构型动身进行动力学演化,会发作不断的彼此磕碰。在密度或许旋转半径都比较小的条件下,磕碰会不断削弱,终究系统会堕入所谓具有局域巨涨落的超匀称两相流——这种新的特异性流体形-必威体育官网_必威体育app_必威app的“吸收态”(absorbing state)(图3D),相当于相空间的招引子。在这种状态下每个粒子独登时进行圆周运动,粒子旋转中心将始终不变。可是,假如系统密度较高或许粒子旋转半径比较大,因为空间的约束,粒子间的磕碰将不会衰减,系统就会处于一种继续磕碰并分散的生机流身形(active state),而且自发发作超均匀性(图3C),这是一个十分出人意料的发现。

图3:(A)研讨模型电信套餐。(B)系统相图(x轴表明密度,y轴旋转具有局域巨涨落的超匀称两相流——这种新的特异性流体形-必威体育官网_必威体育app_必威app半径)(C)生机超均匀态(active state)示意图。(D) 吸收态(absorbing state)示意图。其间粒子色彩代表粒子的运动方向。

超均匀和局域大涨落的共存

作者还发现,超均匀呈现的空间规范是由粒子的旋转半径R操控的,发作在大于R的空间规范之上。这也解说了为什么在经典的直线运动的驱动粒子系统(对应R无穷大)没有发现这种超均匀性。不经如此,作者发现,在较高密度条件下,系统会在小于R的规范上发作微观相别离,但在大于R的规范上依然保持着超均匀性,然后完成了超均匀和“大”涨落能够在同一个系统,不同规范下的共存(见图4)。

图4:不同旋转半径R下,(A)粒子的均方位移随时刻的改变,其间t2表明分散运动,t表明弹道运动;(B)密度涨落(方差)随调查窗口巨细的改变, 其间红线表明相别离导致的“大涨落”标度率,底部黑线表明超均匀态标度率;(C)结构因子S(q)跟着波矢量q改变,其间q-2代表相别离标度率,q2代表超均匀标度率。

理论解说

为了解说这种独特的共存现象,作者构建了一套描绘圆周自驱动粒子的流体力学方程:

经过对方程的线性稳定性剖析,作者发现在小于R规范上的大涨落的原因来源于活性粒子“自锁效应”导致的微观相别离,而在大于R规范上超均匀性,则是粒子在该规范的分散运动和粒子间的彼此磕碰满意质心守恒一起构成的。后一种机制用简略的分散方程就具有局域巨涨落的超匀称两相流——这种新的特异性流体形-必威体育官网_必威体育app_必威app能够解说。作者的理论剖析得到了模仿成果的有用验证(见图5美人计)。

图5:(A)不同旋转半径下,不同波长下微扰的生长速率(growth rate)和波矢量q的联络。q不为零处正的生长速率表明系统在有限规范发作失稳(微观相别离)。(B)理论猜测(虚线)的失稳密度(大图)和失稳波矢量q*(小图)跟着粒子旋转具有局域巨涨落的超匀称两相流——这种新的特异性流体形-必威体育官网_必威体育app_必威app半径R猪猪的改变与模仿数据(实点)的比照。

结语——和世界学的联络

总归,作者经过研讨圆周运动的活性粒子的团体行为,维生素d的效果发现了一种新式的超均匀活性流身形,这种流身形的特别之处在于在大规范上具有和晶体类似女战士的超均匀性,但在小规范上却能够永不停歇的集合散失,表现出大涨落。作者提出的活性粒子模型简略,物理机制明晰,已有相关试验小组进行跟进验证。从资料学角度上看,这种超均匀流体有望成为和光子晶体对应的“光子液体”(photonic liquids),在光子器材和量子核算范畴具有广泛的潜在使用价值。不仅如此,经过文献调研,作者发现这种微观活性物质系统中呈现大涨落和超均匀的共存态与世界的大规范结构有着深入的类似性。依据世界的规范模型[3],在大爆炸(Big Bang)后很短的时刻,世界的物质散布也是处于一种超均匀态,可是跟着世界的逐步降温,在相对较小规范下(星系规范),物质在重力的效果下开端集合,并构成星系,物质散布变得极不均匀性。但在整个世界规范,原始的超均匀性依然得以保存。这种不同规范下的大涨落和超均匀的共存,反映在规范理论猜测的世界的结构因子的两段相反的标度率上(图6B)。能够看到它其与图4C十分类似。

图6:(A)世界微波布景辐射示意图和其调查到的世界涨落强度。(B)aloha 规范世界模型猜测世界结构因子S(k),k为波矢量。

论文的宣布和称谢

该作业于美国东部时刻2019年1月25日宣布于闻名学术期刊Science Advances上。 新加坡南洋理工大学雷群利博士为论文榜首作者,同校的Massimo Pica Ciamarra教授和倪冉教授为文章通讯作者。该研讨得到了新加坡政府教育部、新加坡科技研讨局、南洋理工大学以及新加坡国家超算中心(NSCC)的支撑。

文章信息

Qun-Li Lei, Massimo Pica Ciamarra, and Ran Ni; Non-Equilibrium Strongly Hyperuniform Fl谍战剧排行榜uids of Circle Active Particle悲催小媳妇翻身记s with Large Local Density Fluctuations, Science Advances, 5,eaau7423 (2019)

倪冉教授课题组网站:

http://www.ntu.edu.sg/home/r.ni/

参考文献

[1]. ABird’s-Eye View of Nature’s Hidden Order,Quanta Magazine(July 12, 2016)

https://www.quantamagazine.org/hyperuniformity-found-in-birds-math-and-physics-20160712/

[2]. 从鸟眼看见大自然的躲藏次序——散步于次序与随机之间的超均匀性,《数理人文》杂志2017第12期https://mp.weixi国内旅游景点排行n.qq.com/s/GxsaR_bU4LLd9Y1Zrn0wvg

[3].A. Gabrielli et al,Phys. Rev祛斑. D2002, 65, 083523

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