在2020年10月16日，Physical Review Letter发表了施夏清及其合作者法国原子能委员会Hugues Chaté,皮埃尔玛丽居里大学Alexandre Solon等人关于活性粒子共存相自组织临界性的研究工作。[X. Shi, G. Fausti, H. Chaté, C. Nardini, & A. Solon,Phys. Rev. Lett., 125, 168001, 2020https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.168001]
自驱动纯排斥粒子体系由于粒子间运动存在自发堵塞的问题，均匀态在一定密度下会发生失稳，导致所谓的“迁移性诱发相分离（MIPS）”。这类体系的相分离动力学可以用标量场表述。相比于一般需要通过矢量场或张量场描述的活性物质体系更为简单，因而在活性物质统计物理的基础研究中得到重视。虽然该体系远离平衡态，但过去的很多理论直接借鉴平衡态相分离的场方程进行研究，得到一般的宏观相分离图像。然而该体系越来越多看似异常的行为表明事情并非如此简单。
在日前发表的研究工作中作者通过发展高效的理论计算模型，系统的检视了迁移诱发相分离（MIPS）共存态的极限行为。通过有力的理论及数值结果，发现并证实了这类共存相中存在自组织临界性*。研究表明体系的相分离态并不“平衡”，液体内部永远处于一种“沸腾”的状态，自发产生大量气泡。气泡经扩散融合在相分离边界出现“崩塌”。与很多典型的自组织临界行为一样，崩塌发生在各个尺度，系统气泡尺寸分布具有幂律分布特性[见图一]。进一步的理论分析表明，在热力学极限下，气泡将使相分离的液体部分不断膨胀，填充整个空间从而阻碍宏观气液相分离的发生。
该研究工作提供的物理图像有助于理解过去很多该系统中观察到的一些异常行为，为解决该类体系长期存在争议的问题提供了新的思路。
图一：迁移诱发相分离（MIPS）自组织临界共存态中存在幂律分布的气泡。幂律分布的指数尾巴可以通过系统尺寸标度重合，预示其临界性。
该工作受到国家自然科学基金重点项目（11635002）,优秀青年基金项目（11922506）以及面上项目（11674236）资助。
*自组织临界性是非常有趣并且重要的非平衡统计物理概念，于1987年在BTW模型（P. Bark，汤超，K. Wiesenfield）中被首次提出，用于解释自然界中广泛存在的幂指数分布行为，揭示了非平衡体系中可能存在的普适性原则。
