非线性非互易相互作用二元混合物中的"沸腾"现象：时空混沌与局域对称性恢复

研究人员针对非互易相互作用体系中PT（宇称-时间）对称性破缺问题，通过构建非线性非互易Cahn-Hilliard（NRCH）模型，发现当非互易耦合系数α(φ1,φ2)随标量场变化时，系统会自发形成时空混沌态——"沸腾"（effervescence），其特征是局域恢复互易性的动态畴域与相分离液滴的共存。该研究为活性物质体系提供了新的理论框架，发表于《Nature Communications》。

　　

在自然界和人工活性物质系统中，从鸟群视觉感知到催化活性胶体的化学场，非互易相互作用普遍存在。这类相互作用打破作用-反作用对称性，导致系统呈现丰富的非平衡态行为。传统研究主要关注线性非互易耦合，但实际系统中相互作用往往具有复杂的非线性特征。如何理解非线性非互易耦合对多组分体系集体行为的影响，成为软物质物理和活性物质研究的重要课题。

德国马克斯·普朗克动力学与自组织研究所的Suropriya Saha和Ramin Golestanian在《Nature Communications》发表研究，通过构建非线性非互易Cahn-Hilliard（NRCH）模型，揭示了非线性非互易相互作用导致的"沸腾"现象。研究人员发现，当非互易耦合系数α(φ₁,φ₂)依赖于局域场值时，系统会自发形成动态畴域，其中PT对称性局部恢复，产生时空混沌态。这种"沸腾"状态表现为互易颗粒（reciprocal granules）和相分离液滴的持续创生与湮灭，为理解活性物质的复杂动力学提供了新视角。

研究采用的主要方法包括：1）构建具有墨西哥帽势（Mexican hat potential）的自由能和场依赖的非互易耦合项；2）通过伪谱方法数值求解守恒场动力学方程；3）Lyapunov指数分析量化时空混沌；4）线性稳定性分析解析行波解和局域畴域的稳定性。

研究结果主要包括：

非线性NRCH模型

建立了两组分守恒场理论，其中非互易耦合α=α₀-α₁|φ|²可随场值改变符号。当|φ|=√(α₀/α₁)时，系统局部恢复互易性。

1,2在不同时刻的快照显示动态畴域形成。b) 振幅场||显示条纹图案与涨落畴域共存。c) 无伴随行波的纯"沸腾"态。'>

量化"沸腾"现象

概率分布P(|φ|)呈现双峰结构，分别对应行波态（|φ|<1）和互易颗粒（|φ|=ρ₀）。液滴面积分布P(A_droplet)显示基本构建单元的存在，其寿命τ与尺寸呈线性关系。

状态相图

在(α₀,α₁)参数空间中，"沸腾"波（伴随行波）和纯"沸腾"态占据显著区域。结构因子S(k)和功率谱S(ω)分析表明，"沸腾"态具有各向同性涨落特征。

稳态分析

解析获得行波解φ_q^w=ρ_qe^-i(q·r-ωt)及其色散关系ω(q)=Γq²[α₀-α₁(1-q²/q₀²)]。稳定性分析显示当纵向扩散系数D_L<0时行波失稳。

组分效应

改变平均组分φ₀=?φ?会诱导状态转变：从"沸腾"态到具有脉动界面的体相分离态。线性稳定性分析预测了Hopf分岔点和异常点（exceptional points）。

研究结论指出，非线性非互易相互作用通过两种机制导致"沸腾"：1）行波失稳产生时空混沌；2）局域恢复互易性形成动态畴域。这种"沸腾"现象在广义非线性耦合下普遍存在，已在趋化性混合物和化学活性体系等物理机制中得到验证。该研究不仅拓展了非平衡态统计物理的理论框架，还为活性物质的自组织、生物膜形成等过程提供了新的理论解释。特别是发现的尺寸选择机制和动态畴域行为，可能对理解细胞内的蛋白质相分离和微尺度自组装具有启示意义。

研究还讨论了潜在实验实现途径，包括Janus胶体混合物、群体感应自驱动粒子、质量守恒反应-扩散体系等。未来研究方向包括将理论推广至动量守恒体系（"湿沸腾"悬浮液），以及探索非互易性与拓扑缺陷动力学的联系。这项工作为设计具有可控集体行为的活性材料提供了理论指导。