2024年12月17日《Physical Review Letters》发表了我院施夏清课题组与法国原子能委员会Hugues Chaté课题组关于手性活性系统中新发现的自发凝聚和同步行为的理论研究工作，题为“Condensation and Synchronization in Aligning Chiral Active Matter”。研究展示了一种与通常在二维活性物质中观察到的相分离现象不同的凝聚现象。凝聚行为发生时，体系中宏观量级的粒子在有限空间范围自发聚集，同时出现同步行为，展示了手性活性物质体系独特的相态行为。
在活性物质系统中，通过自发相分离机制行为形成类似气液共存状态的现象普遍存在。这种相分离行为不仅出现在较为简单的“标量场”活性物质中（如运动诱导的相分离），而且在具有连续旋转对称的矢量对齐活性物质系统中也会发生，通常来源于自发有序过程中的动力学失稳机 制。然而，对于由点状手性活性粒子组成的二维极化或向列型对齐系统，研究发现体系的自发聚集并不遵循通常的相分离图像。研究表明，这些密集有序的高度局域化的结构并不是典型的宏观相分离或者微相分离结构，而是一类凝聚体：这些高密度态可以吸收系统中宏观比例的粒子，并且随着吸收粒子数量的增加保持尺寸的高度局域化（见图1）。
图1：不同系统尺寸下涡旋凝聚体密度分布和涡旋尺寸高度局域化。
该研究的结果在粒子水平和从微观模型推导出的连续动力学或流体动力学理论中均得到了验证。研究中考虑了铁磁和向列两种主要的对齐类型，同时考虑了纯手性和手性无序系统，发现大多数情况下均存在凝聚现象。系统中出现两种典型的凝聚体结构：对于极性对齐的粒子凝聚体，凝聚意味着粒子沿着全局旋转轴的相同步；而对于涡旋类的凝聚体，则表现为频率同步。
这些理论发现为未来深入研究活性物质的本质特性和行为提供了新的视角和理论基础。这类凝聚机制在一些典型的手性活性物质体系，比如手性细菌，驱动的手性蛋白微丝体系，磁场中磁性细菌体系的相态行为中都有所体现，未来可在类似体系进行深入的实验检验。
我院研究生王雨佳为论文第一作者，完成了凝聚体动理学方程和流体动力学的计算和理论分析。该研究工作得到国家自然科学基金优秀青年基金、面上项目资助。
l 论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.258302
