《Nature》：不可逆相变！
在不平衡的情况下，缺乏可逆性是普遍的现象，而不是例外。例如，不可逆发生在活性物质、非平衡系统、神经元网络、有墨守成规和特立独行成员的社会群体、定向界面生长现象和超材料中。尽管近年来，人们对不可逆介质中波的传播，进行了深入的研究，但对于不可逆对多体系统集体行为的影响却知之甚少。
在此，来自美国芝加哥大学室的Vincenzo Vitelli等研究者，在这里证明了不可逆可使得自发破缺连续对称的时间依赖相动态地恢复。相关论文以题为“Non-reciprocal phase transitions”发表在Nature上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03375-9
为了探索不可逆性如何影响相变，研究者考虑了多个物种或具有不对称相互作用的场，由向量序参数va(t,x)为每个物种a建模。例如，它们可以编码，自推进粒子的平均速度、耦合振子的平均相位或周期模式的振幅和位置(图1a-d)。在界面生长实验中，va(t,x)既可以是不同的场，也可以是同一物理场的不同谐波(图1e,f)。具有增益和损耗的系统，也可以映射到非互易系统上。
图1 异常相变：示例和机制。
图1a-f说明了，同步、聚集和图案形成中的取向-手性转变。这种转变也发生在粘性指进(图1e, f)，液晶凝固，层状共晶生长，溢出喷泉等自然现象，可以用振幅方程，来模拟同一场的不同谐波之间的非对称耦合。作为一个具体的例子，研究者考虑不可逆群集的流体动力学。图2a-c显示了的相图，它是重标(非)物种间互作作用j±= (jAB±jBA)/2的函数，包括有无序相(灰色)、对齐相(蓝色)、反对齐相(红色)和手性相(紫色；参见图2d)。研究者证明了这些相位，在大范围参数的速度波动下，是线性稳定的。手性相与(反)对齐相之间的相边界，由异常点标记(图2b, c中的红线)。
除了手性相外，研究者还确定了一个“交换相”(图2b, c中的绿色区域)，其中vA和vB沿固定方向振荡。与平均恢复连续对称性的手性相位相反，交换相位通过丧失时移不变性恢复离散对称性。研究者还预测和观察了，手性+交换的混合相，交换和手性运动同时发生(深绿色区域)，这些相在图2d, e和视频中有所展示，它们都以一种类似于时间(准)晶体的方式，打破了时间平移不变性，图2f, g。目前，不可逆群中所有存在的相，都遵循对称原理。因此，它们超越了特定的模型。
在此，研究者在这里证明了，不可逆导致了自发破缺连续对称性的时变相的动态恢复。研究者用简单的机器人演示，来说明了这个机制。由此产生的相变，由被称为异常点的光谱奇点控制。研究者使用分岔理论和非厄米量子力学的见解，描述了这些相的出现。研究者的的方法，捕获了三个非平衡的自组织原型类的非互易概括：即，同步、群集和模式形成。在这些系统中的集体现象范围囊了，从活跃的时间(准)晶体到特殊点强制模式形成和滞后。
图2 相图和活性时间(准)晶体。
图3 特殊点强制的模式形成和拓扑缺陷。
图4 识别和分析异常转换的可视化程序。
综上所述，该工作为不可逆物质中临界现象的一般理论奠定了基础，包括从驱动量子凝聚到生物和人工神经网络。这些系统的特点是多体效应所赋予的波动和刚性的非互易增强之间的相互作用。该场理论方法捕捉了这些效应，并在多体物理和分岔理论之间建立了新的桥梁。（文：水生）