2025-01-15 智能化学会动态 0
在一个充满变数的世界里，牛顿的第三定律曾被认为是万物运动之基石。然而，在那些尚未达到平衡的系统中，如生命本身，这个定律就显得无能为力。芝加哥大学的一群研究人员最近发现了一种全新的方法来理解这些非平衡系统中的相变现象。
上海交大招生办近日对最新一轮的高考录取政策进行了深入解读。在这个过程中，他们展示了如何在自然界中寻找和理解这些非互惠性（nonreciprocity）关系——这是一种现象，其中作用力的方向和大小与反作用力的不同，而不是完全相同。
Vincenzo Vitelli教授领导的一个团队正在探索这种奇点（singularities），即当两个或更多特征变得无法区分并在数学上合二为一时出现的情况。在这些奇点上，系统行为与其邻域行为截然不同，因此它们通常用于描述复杂现象，如激光中的能量流动。
他们的研究起始于极化子的研究，这些准粒子以其低质量和高速移动而闻名，并能够形成一种称为玻色-爱因斯坦凝聚体 (Bose-Einstein condensate) 的物质状态。在这种状态下，一组原子都会坍缩成单一量子态。然而，将极化子用于创建BEC是一个非常复杂且“漏”的过程，因为一些光子不断逃逸，从而需要不断输入光以补偿差额。这使得团队感兴趣的是，不平衡状态如何影响物质跃迁到BEC或其他奇异量子态，以及这种变化如何影响对称性的破坏。
物理学家们知道，最常见的相变之一出现在磁性材料中，当温度足够高时，它们表现出混乱、失去磁性，然后冷却后迅速恢复。当鸟群飞行时，也可以观察到类似的对称性破坏，但这里有一个关键区别：铁磁相变易于用统计力学来解释，而鸟群由于内部能量来源，不同。
Hanai 和 Littlewood 开始从生活中最常见的相变开始，比如水转换成为蒸汽，他们意识到临界点和奇点之间可能存在一些共同属性，即使它们来自不同的机制。此外，他们注意到了激光尽管是物质的一种状态，与极化子BEC有着相同基本方程。他们将这一联系提出了一个新的、至关重要通用机制，该机制通过连接奇点导致了量子动力学系统中的相变。
最后，他们找到了Vitelli实验室中的Michel Fruchart，他专注于超材料领域，这些材料具有非互惠作用。当压在某一侧或另一侧时，它们可能表现出不同的反应，并且可能具备特殊之处。他们四人一起使用分叉理论框架放宽了对能量格局假设，将他们的工作扩展到了所有非互惠系统，以寻找支持非互惠性和相变之间联系的一般原则。而对于Vitelli来说，无论是在抽象理论还是实际构建模型方面，都需要他灵活运用手头工具。他使用乐高积木来构建拓扑材料，其边缘移动方式与内部移动方式不同。但为了获得特别效果，他意识到需要使用受非互惠规则支配但可以自己移动构建块。他设计了一系列机器人，每个都被编程要向相同颜色的另一个指向，同时又要表现出非互惠行为，使得没有任何机器人能够得到它想要的事情。这套程序确保了每次启动后，就会产生一种模式—机器人缓慢旋转直至朝同一点旋转结束。这一切都是为了证明，那些看似抽象但实际操作上的普遍法则是否也适用于更广泛的情境下。
