【科研进展】非互易活性物质中的涌现手性和无序超均匀态
近日，上海交通大学物理与天文学院、自然科学研究院的张何朋课题组及其合作者在非互易活性物质中生成了时间依赖的手性态，并发现了无序超均匀的密度涨落。该研究成果以“Emergent Chirality and Hyperuniformity in an Active Mixture with Nonreciprocal Interactions”为题，于2024年3月14日在Physical Review Letters上发表。
物体间的微观相互作用遵循牛顿第三定律，即作用力和反作用力在大小上相等，方向上相反。然而，在介观尺度，特别是在非热力学平衡环境下，物体间的相互作用可能打破这种互易对称性。在活性物质系统中，非平衡态的个体通过主动产生的流场或化学场，能够实现非互易的相互作用。理论和数值研究揭示，这种非互易作用能够从根本上重塑活动物质的动力学特性，打破宇称-时间反演对称，进而催生一系列独特而新颖的动力学和相变现象，如时间依赖的密度行波和手性态等。
左图：非互易作用的机器人形成集体手性态，插图为机器人实物。右图：处于吸收转变点的手性态呈现出超均匀的密度涨落，静态结构因子遵守幂律标度。
尽管理论和数值研究在探讨活性非互易作用方面取得了丰富的成果，但实验层面的探索却显得相对匮乏。这种局限性部分源于在系统层面上精确调控非互易作用的固有难度。为了克服这一挑战，张何朋课题组及其合作者开发了一个基于视觉反馈控制的机器人实验系统。该系统能够精确界定机器人之间的相互作用规则，从而生成任意形式的非互易作用。研究人员成功运用该系统实现了非互易的Vicsek模型，不仅验证了非互易作用能够产生时间依赖的手性态，还发现了角速度阈值在广泛的参数空间中能够稳定手性态的现象。随着研究的深入，研究人员进一步探讨了非互易手性态的特性。他们发现，随着局部斥力强度的增强，手性态中的机器人能够自组织地实现从吸收态到运动态的转变。在转变点，系统呈现出无序超均匀的密度分布。这些实验成果不仅验证了非互易作用能够产生时间依赖集体态的理论预测，还揭示了非互易作用与其他物理因素协同作用，创造出新型集体动力学的巨大潜力。
上海交通大学物理与天文学院博士生陈俭超为论文第一作者，上海交通大学张何朋教授、西北工业大学彭星光教授、西安建筑科技大学雷小康教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金的支持。
论文链接（点击阅读原文查看）
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.118301
图文编辑：刘真
责任编辑：叶丹、朱敏