Control of collective activity to crystallize an oscillator gas

塵や細菌のような極小のものが、独自の内部エネルギーで絶えずブンブンと動き回っている世界を想像してみてください。物理学の世界では、これを「アクティブ・マター（能動的物質）」と呼びます。通常、科学者たちはこれらの忙しい粒子を、どんな状況でも一定の速度で走り回り、互いに衝突しては、渦巻く嵐や行進する群れのような奇妙なパターンを形成する「ハイパーな幼児」であると仮定して研究します。これは「運動誘起相分離」として知られており、混雑すればするほど動きが鈍くなり、まるで人々が身動き取れなくなるモッシュピットのように、塊となって固まってしまう現象です。

しかし、もしこれらの粒子がもっと賢かったらどうでしょう？ もし彼らが、エネルギーを節約し、実際に仲間と交流する時だけ使うことができたら？ 自然界では、獲物を狙う動物が、捕食者が近づくまでじっと静止してエネルギーを温存し、近づいた瞬間に「ズーム」と逃げ出すといったことが日常的に行われています。科学者たちは、このような「エネルギー節約型」の粒子が集まったときに何が起こるのかということに強い関心を寄せてきました。集団は混沌とした混乱状態に陥るのでしょうか、それとも自らを組織化できるのでしょうか？ これが大きな疑問です。個々には動かないはずの粒子たちが、近くにいるという理由だけで、突然マラソンを始めることができるのでしょうか？

跳ねる金属球の物語

最近の研究において、ライデン大学の研究者たちは、その答えを見つけるために小さな跳ねる世界を構築することにしました。彼らが使ったのは、細菌でもロボットでもありません。油の中に浮かぶ、直径わずか1ミリの単純な鋼鉄の球です。ここでの仕掛けは、これらの球は生き物ではなく、自ら動くようにプログラムされているわけでもないということです。実際、もしこれらの一つを油に入れ、電場をオンにしたとしても、それは2枚の金属板の間で上下に振動するだけで、その場に留まります。それは「自励振動子」ですが、左右に移動するためのエネルギーはゼロなのです。

魔法は、たくさんの球を一緒に集めた時に起こります。

研究者たちは、これらの鋼鉄球で空間の約9%を埋め尽くしました。すると突然、球たちはただその場で振動するだけでなく、ハイパーな原子のガスのようになり、容器の中を猛スピードで駆け回り始めたのです。これはチームが「集団的活動」と呼んでいる現象です。球たちは設計上、動かないはずのものでしたが、集まることで、動き回る混沌としたガスへと変貌したのです。

どのようにして動き出したのか？
球たちが、その垂直方向の跳ね（バウンス）の中に「バッテリー」を持っていると考えてみてください。2つの球が衝突するとき、奇妙なことが起こります。その衝突は「超弾性」なのです。それは、ゴムボールを壁に投げたとき、投げた時よりも速いスピードで戻ってくるようなものです。この場合、2つの球がぶつかり合うと、垂直方向の「跳ねのエネルギー」が水平方向の「ズームするエネルギー」へと転換されます。一つの球がもう一つの球に当たり、すると突然、両方が横方向に飛び出していくのです。混雑すればするほど、彼らはより多く衝突し、より多くのエネルギーを交換し、静かに振動していた球の集まりを、荒れ狂う渦巻くガスへと変えてしまうのです。

研究者たちは、このガスが通常の高温ガスとは大きく異なる挙動を示すことを発見しました。通常のガスでは、熱が物体を動かします。しかしここでは、熱は存在しません。動きはすべて、球たちが蓄えた「跳ねのエネルギー」を互いに「消費」することによって生まれます。球の速度は、どれだけ激しく上下に跳ねているかに依存します。電場を速めて跳ねる速度を上げれば、ガス全体の速度も上がりますが、動きのパターン自体は変わりません。これは、衝突を通じて独自の「温度」を作り出すシステムなのです。

秘訣：同期（シンクロニゼーション）
しかし、そもそもなぜ彼らは衝突するのでしょうか？ 研究者たちは、球たちが「秘密の言語」を持っていることを発見しました。それは「同期」です。衝突する前に、球たちは跳ねのリズムを合わせ始めます。一方が上がり、もう一方が下がるという、ちょうど反対の位相になるリズムへと落ち込んでいくのです。電極に当たった際にどのように電荷を拾うかという仕組みにより、この「反対の位相」にある状態は、電気的な引き合いを生みます。彼らは引き寄せ合い、衝突し、そして――ポンッ――と、蓄えたエネルギーを解放して、猛スピードで離れていくのです。

混沌を制御する：ガスから結晶へ
最もエキサイティングな部分は、科学者たちがどのようにしてこの混沌を制御する方法を見つけたかという点です。彼らは、もし球たちがその「反対の位相」のリズムに入るのを阻止できれば、衝突を止めることができると気づきました。これを行うために、彼らは一定の電場の代わりに、急速に明滅する電場を用いました。

音楽のテンポが毎秒変化している中で、人々に特定のパターンで踊ってもらうことを想像してみてください。リズムを合わせるのは困難です。電場を適切な速度（約24ラジアン毎秒）で明滅させることで、研究者たちは球たちの同期能力を破壊しました。同期ができなくなると、彼らは引き寄せ合わなくなります。引き寄せ合いがなければ、衝突も起きません。衝突がなければ、エネルギーを解放して駆け回ることもできません。

その結果はどうなったでしょうか？ 荒れ狂う混沌としたガスは、瞬時に完璧で秩序ある結晶へと凍りつきました。球たちは整然とした三角形の格子状に並び、互いに衝突することなく、その場で穏やかに振動していました。研究者たちは、これを数秒で切り替えることができました。電場を一方の方向に設定すれば混沌としたガスになり、もう一方の方向に設定すれば完璧な結晶になるのです。

なぜこれが重要なのか
この論文は、複雑にプログラミングされたロボットを作らなくても、秩序を生み出すことができるということを示しています。ただ、互いに反応し合える単純なパーツがあればよいのです。これらの「エネルギー節約型」の粒子がどのように相互作用するかを理解することで、科学者たちは物質を制御する新しい方法を見つけ出しました。彼らは、混雑度と活動性の間の正の繋がりが、驚くべき新しい物質の状態をもたらし得ることを証明したのです。これは、群衆を組織化する最善の方法は、彼らに何をすべきか指示することではなく、彼らが自然に列に並ぶように「ゲームのルール」を変えることである、ということを思い出させてくれます。