强相互作用暖自旋气体的临界动力学和相变 | 复杂性科学顶刊精选8篇
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Complexity Express 一周论文精选
目录：
8、雪崩传播过程中重排、应变和局部结构的相互作用
1. 强相互作用暖自旋气体的
临界动力学和相变
期刊来源：PNAS
论文标题：
Critical dynamics and phase transition of a strongly interacting warm spin gas
论文地址：
https://www.pnas.org/content/118/43/e2106400118
相变是微观相互作用驱动无序系统进入集体有序相的涌现现象。在两相之间的边界附近，系统可以表现出临界的、标度不变的行为。有序相（ordered phase）在凝聚态物理和原子物理中有着广泛的研究，特别是在低温自旋体系中。通常认为在环境温度下，自旋气体是无序的，具有高熵和弱或随机的多体相互作用。
10月26日发表于PNAS的文章在室温下发现了新的铯蒸气磁相，并观察了系统在相界附近的集体行为，包括磁化强度的幂律依赖性和磁化率的发散性。研究发现在铯蒸气磁相界附近，自旋响应时间增加了100倍。该发现为精确量子传感、多体关联的非平衡磁场模拟以及伊辛计算在常规条件下的实现点亮了希望。
图1.磁相图（a、b）及磁化强度的幂律依赖（c、d）
2. 人们把互联网上的知识
误认为是他们自己的
期刊来源：PNAS
论文标题：
People mistake the internet’s knowledge for their own
论文地址：
https://www.pnas.org/content/118/43/e2105061118
我思故我在，人们倾向于认为自己的思想（包括偏好、性格、记忆等代表自我的部分）存在于自己身上。然而，事实可能并非如此。在当今的数字时代，人们不断地与网络信息联系在一起，并将记忆事物的责任转移给网络，将想法分布在社交网络、图书馆与信息比特中。这可能会模糊人们对于内部知识与外部知识的边界。
10月26日发表于PNAS的文章通过八项实验证明，当人们使用谷歌搜索在线信息时，他们无法准确区分自己记忆中存储的内部知识与外部设备存储的互联网知识，导致将互联网的知识误认为是他们自己的。与仅使用自己内部知识的人相比，使用谷歌回答常识问题的人不仅对自己获取外部信息的能力更有信心，而且对自己的思考和记忆能力也更有信心，并预测自己将来在没有互联网的帮助下也会知道得更多。
3. 英国代际社会流动的地理分布
期刊来源：Nature Communications
论文标题：
The geography of intergenerational social mobility in Britain
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26185-z
从政治和政策角度来看，社会流动性（social mobility）被定义为“一个人的职业或收入与其父母的职业或收入之间的联系” 。这一概念的出现及其相关实证研究及政策影响采用新颖的方法分析父母与其子女社会经济方面的数据，分析结果常作为地方就业机会的预评估。然而，以该定义衡量社会流动性存在较大局限，因为（1）过于依赖收入和职业特征，排除了财富积累及其代际转移的影响；（2）环境对生活机会的影响是通过多代而不仅是两代积累的；（3）以家庭而不是个人作为传递影响的单位更能够系统地刻画代际传递；（4）忽略了功能区域（地理位置）对经济机会和工作方式的影响。
10月26日发表于Nature Communications 的文章结合多重匮乏指数（Index of Multiple Deprivation，IMD）及家庭姓氏的地理起源分布，对英国长期定居人口的家庭群体进行跨代分析，扩展以往经验性的社会流动性分析。其中，多重匮乏指数提供了对全英各个居民区相对困难程度的综合度量，包括收入、就业、健康、教育、犯罪等因素，概括了比个人或家庭收入及职业特征更长久的物质和社会条件。研究中采用姓氏作为共同地理及家族起源的方法，这是基于之前的一项研究结果，即未过度使用的姓氏可提供统一的地理及家族起源标记。
该研究将居民困难程度与家庭成员和地理位置联系起来，发现不平等具有跨代及地域性的特征，并且人口迁移不能完全抵消社会流动性在各地区的差异。这一研究对所有发达经济体的社会流动性研究都有启发意义。
4. 人类内测颞叶中的概念神经元
灵活地表示概念之间的抽象关系
期刊来源：Nature Communications
论文标题：
Concept neurons in the human medial temporal lobe flexibly represent abstract relations between concepts
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26327-3
人们可以轻松回忆起一些包含通用概念的案例，并通过通用概念内容的感知或事实联系将多个案例相关联。这一动态的记忆连接过程主要由人类内侧颞叶的概念神经元（concept neurons）完成，它对概念的语义特征响应，通过概念间的关系动态连接记忆。然而，尚不清楚概念神经元对概念关系动态编码及存储的过程。
10月25日发表于Nature Communications的文章通过图片比较任务来研究概念神经元如何编码概念之间的抽象关系。研究采用人类被试，因此可以仅通过抽象的任务指令来改变图像关系，同时保证整体实验结构统一。研究发现，概念神经元的连续激活导致了概念内容间有意义的关联，并且在概念暂时不相关后，当相关概念重新出现，概念神经元会重新被激活。
5. 大流行对科学家的潜在长期影响
期刊来源：Nature Communications
论文标题：
Potentially long-lasting effects of the pandemic on scientists
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26428-z
新冠疫情已经对科学界造成了很大影响。根据2020年夏季之前收集的数据，“临床”科学领域的研究人员、女性科学家以及有年幼子女的研究人员的研究时间和基于出版物的指标都显著下降。随着疫情常态化，多种疫苗已完成开发，科学界受疫情影响的情况是否有所改变？
10月26日发表于 Nature Communications 的文章通过对2020年4月和2021年1月期间调查结果的分析，发现疫情对科学家研究时间的影响相对初期似乎有所缓解，但科学家启动新项目的速度却有所下降，由于新的研究想法和出版物需要很长时间才能成熟，故这一影响可能多年都不会显现。
进一步研究显示，疫情对新项目启动速度的影响在女性科学家以及有幼年子女的研究人员身上更为明显，很可能进一步加剧了疫情对科学家影响不平等的程度，但该影响对各个领域比较均匀。该研究有助于科学资助者和机构领导人评估疫情对科学事业的长期影响，促进科学的恢复。
6. 由于过度抑制和MeCP2破坏，
大脑和身体活动的复杂性崩溃
期刊来源：PNAS
论文标题：
Collapse of complexity of brain and body activity due to excessive inhibition and MeCP2 disruption[2021-10-26]
论文地址：
https://www.pnas.org/content/118/43/e2106378118
复杂的身体运动需要运动皮层神经元之间的复杂动力学及协调。与此相反，一个长期存在的理论观点认为，如果运动皮层中的大量神经元变得过于同步，可能会缺乏进行健康的运动编码所必需的复杂性。然而，当前缺少对该观点的直接实验支持，对该现象背后的潜在机制也尚不清楚。
10月26日发表于PNAS的文章比较正常大鼠和瑞特综合征（ Rett syndrome ，RTT，一种严重的神经发育异常疾病，由MeCP2 基因破坏引起，会导致严重的认知和运动障碍）转基因大鼠，同时记录大鼠的神经脉冲活动及身体运动，发现MeCP2基因的破坏及神经活动的过度抑制（阻止神经元间或神经元到肌肉间的信息传递）使得RTT大鼠运动皮层的神经元间存在过度的同步性，导致神经编码的信息容量下降，脊髓接受到的指令更单一，影响身体运动。
具体而言，神经元的同步及抑制会降低运动系统的复杂性。这种复杂性的降低表现在四个方面: 身体运动更简单（低维度），神经元活动变得更不多样（即更同步） ，神经元之间的相互作用变得更固化，m1神经元与身体运动之间的关系变得更固化。
7. 低雷诺数下低功率驱动的
自充自振荡微系统
期刊来源：Science Advances
论文标题：
Self-sufficient self-oscillating microsystem driven by low power at low Reynolds numbers
论文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0767
仿生、自供能及形状可变的自治振荡系统可应用于植入式医疗设备，其产生的振荡信号可作用于微执行器，进而模仿各种生物实体，如自然鞭毛的运动。但传统电路的功率要求与生物系统不兼容，因为高电压与高电流会引起水分解或不必要的氧化还原反应，其它微机电系统（MEMS）则会有与液体环境不相容（故不能流动）、振幅过小、速度过慢等问题。
10月27日发表于Science Advances的文章受自然界基本自振荡的启发，使用电活性聚合物微驱动器和三维微开关创建了一种形状可变的低功率机电振荡器系统（ electromechanical parametric relaxation oscillator，EMPRO），可以在高达95赫兹的生物相关冲击频率下进行机电振荡。该系统的低频振荡功耗约为10μw，相当于昆虫或浮游动物的功耗，其供能电池为一种由银和镁制成的具有生物相容性的电池。综合而言，该系统的柔软性、可塑性和生物相容性使其成为与软生物组织进行体内相互作用的理想材料，能够有力促进各种仿生微机器人的应用。
8. 雪崩传播过程中
重排、应变和局部结构的相互作用
期刊来源：Physical Review X
论文标题：
Interplay of Rearrangements, Strain, and Local Structure during Avalanche Propagation
论文地址：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041019
所有无序固体在低应变时弹性响应，但在应变足够高时产生塑性变形。当应变超过弹性范围时，无序固体通过间歇的局部重排而部分松弛，当应变量超过屈服应变时，固体开始形变。在屈服应变之外，许多系统表现出雪崩行为（avalanche behavior）。雪崩是由重新排列与弹性应力的相互作用产生的，当前采用弹塑性模型来描述这一过程：弹性应力的增加导致局部区域屈服和重新排列，而局部区域的重新排列又使某些区域应力增加。然而，该模型不足以完整描述雪崩行为的过程，因为具有相同微观相互作用的系统可以展现不同的行为，需要明确局部结构、重新排列及弹塑性的微观联系。
10月27日发表于Physical Review X 的文章采用一个通过机器学习方法获得的量——柔软度（softness），来描述每个粒子的局部结构环境，首次解开了局部结构、重新排列以及弹塑性间的相互作用。该研究表明，原有的弹塑性模型必须考虑完全张拉应变场，从而纳入由于重新排列导致的局部屈服应变变化的影响。
该研究拓展了机器学习在物理中分类及估计等常规应用，将其用于发展实验现象的理论框架，为物理研究提供了新的思路。
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