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集群現(xiàn)象是一類特殊的集體運(yùn)動，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)動中發(fā)揮重要作用。

近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心，在實(shí)驗(yàn)上構(gòu)建了由成千上萬個毫米級的鐵磁小球組成，且被限制在一個水平放置的環(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)生一個高密度、高極化的“集群”。該集群作為一個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度，符合經(jīng)典一級相變的杠桿定律；一級相變證據(jù)，即改變磁場頻率觀測到明顯的滯后回線；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，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)動速度更快，但其有效溫度比無序的氣相低一個數(shù)量級。

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齊和集群形成的關(guān)鍵。兩個粒子碰撞實(shí)驗(yàn)揭示了正反饋回路：局部密度升高→碰撞更頻繁→速度對齊更有效→形成更快的定向運(yùn)動→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《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目的支持。

論文鏈接

集群相分離現(xiàn)象