集群現(xiàn)象是一類特殊的集體運(yùn)動(dòng)，廣泛存在于自然界與人工系統(tǒng)。以往研究通常忽略慣性效應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)是過阻尼的。然而，在宏觀尺度上，無論是空中的昆蟲、地上的動(dòng)物，還是未來大規(guī)模部署的機(jī)器人集群，慣性都在其運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮重要作用。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心，在實(shí)驗(yàn)上構(gòu)建了由成千上萬個(gè)毫米級(jí)的鐵磁小球組成，且被限制在一個(gè)水平放置的環(huán)形跑道的慣性活性物質(zhì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

　　在這一系統(tǒng)中，當(dāng)跑道中滾珠的面積分?jǐn)?shù)超過臨界密度后，系統(tǒng)自發(fā)成核產(chǎn)生一個(gè)高密度、高極化的“集群”。該集群作為一個(gè)整體在稀疏的氣相中定向傳播。這一新現(xiàn)象稱為“集群相分離”，是Toner-Tu理論預(yù)測(cè)的三種群集斑圖之一。該現(xiàn)象具有如下特征：均勻體相與尖銳界面，即集群內(nèi)部和氣相內(nèi)部的密度和速度均勻，在交界處發(fā)生突變進(jìn)而形成清晰界面；杠桿定律，即增加總密度只線性地增加集群長(zhǎng)度，符合經(jīng)典一級(jí)相變的杠桿定律；一級(jí)相變證據(jù)，即改變磁場(chǎng)頻率觀測(cè)到明顯的滯后回線；相圖特征，即實(shí)驗(yàn)明確各相的存在區(qū)域；正常粒子數(shù)漲落，即粒子數(shù)漲落是正常的（標(biāo)準(zhǔn)差與均值平方根成正比）。

　　同時(shí)，集群相分離展現(xiàn)出較多平衡系統(tǒng)中不可能存在的特性。一是類激波傳播與粒子交換：集群的傳播速度大于集群內(nèi)個(gè)體的平均速度，滿足Rankine-Hugoniot跳躍條件；粒子在集群前端被“捕獲”，在尾部被“釋放”。二是有效溫度失衡：集群相中粒子運(yùn)動(dòng)速度更快，但其有效溫度比無序的氣相低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　這一研究建立了粒子模型，通過“關(guān)閉”相互作用發(fā)現(xiàn)：磁偶極-偶極相互作用對(duì)集群相分離形成并非必需，而關(guān)閉碰撞中的非彈性耗散，集群相分離則完全無法形成。這表明，非彈性碰撞是速度對(duì)齊和集群形成的關(guān)鍵。兩個(gè)粒子碰撞實(shí)驗(yàn)揭示了正反饋回路：局部密度升高→碰撞更頻繁→速度對(duì)齊更有效→形成更快的定向運(yùn)動(dòng)→該快速集群可更有效從前方氣相中“掃入”粒子→局部密度進(jìn)一步升高。這與運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)相分離“越密越慢”反饋機(jī)制不同。

　　相關(guān)研究成果作為封面文章，發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目的支持。

集群相分離現(xiàn)象