惯性活性物质中的集群相分离研究获进展

中国科学院
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集群现象是一类特殊的集体运动,广泛存在于自然界与人工系统。以往研究通常忽略惯性效应,其动力学是过阻尼的。然而,在宏观尺度上,无论是空中的昆虫、地上的动物,还是未来大规模部署的机器人集群,惯性都在其运动中发挥重要作用。uNc速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心,在实验上构建了由成千上万个毫米级的铁磁小球组成,且被限制在一个水平放置的环形跑道的惯性活性物质实验系统。uNc速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

在这一系统中,当跑道中滚珠的面积分数超过临界密度后,系统自发成核产生一个高密度、高极化的“集群”。该集群作为一个整体在稀疏的气相中定向传播。这一新现象称为“集群相分离”,是Toner-Tu理论预测的三种群集斑图之一。该现象具有如下特征:均匀体相与尖锐界面,即集群内部和气相内部的密度和速度均匀,在交界处发生突变进而形成清晰界面;杠杆定律,即增加总密度只线性地增加集群长度,符合经典一级相变的杠杆定律;一级相变证据,即改变磁场频率观测到明显的滞后回线;相图特征,即实验明确各相的存在区域;正常粒子数涨落,即粒子数涨落是正常的(标准差与均值平方根成正比)。uNc速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

同时,集群相分离展现出较多平衡系统中不可能存在的特性。一是类激波传播与粒子交换:集群的传播速度大于集群内个体的平均速度,满足Rankine-Hugoniot跳跃条件;粒子在集群前端被“捕获”,在尾部被“释放”。二是有效温度失衡:集群相中粒子运动速度更快,但其有效温度比无序的气相低一个数量级。uNc速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

这一研究建立了粒子模型,通过“关闭”相互作用发现:磁偶极-偶极相互作用对集群相分离形成并非必需,而关闭碰撞中的非弹性耗散,集群相分离则完全无法形成。这表明,非弹性碰撞是速度对齐和集群形成的关键。两个粒子碰撞实验揭示了正反馈回路:局部密度升高→碰撞更频繁→速度对齐更有效→形成更快的定向运动→该快速集群可更有效从前方气相中“扫入”粒子→局部密度进一步升高。这与运动诱导相分离“越密越慢”反馈机制不同。uNc速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

相关研究成果作为封面文章,发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和中国科学院相关项目的支持。uNc速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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