Universal Jamming Criticality and Self-Organizing Principles from Disorder to the Limit of Perfect Crystalline Order
本文表明，从无序到近晶体结构的阻塞弹性堆积体的力学性质，普遍受控于阻塞临界性和自组织原理，揭示了阻塞物理学与玻璃化转变之间的本质解耦。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一个由微小、有弹性的球组成的物理世界。如果你将它们排列成完美的、重复的网格，你就会得到一种晶体——想想钻石或雪花。科学家们很早就知道如何描述这些有序结构，因为它们遵循严格的规则，就像士兵在队列中行进一样。但当这些球被扔进一堆毫无秩序的乱堆时，会发生什么呢？这就是“非晶态固体”的世界，包括窗户玻璃、沙子，甚至是你咖啡中的泡沫。这些材料是混乱且多样化的，并不遵循晶体那种整齐划一的行军指令。几十年来，科学家们一直难以找到一条单一的规则，来解释这些混乱的堆积物是如何变成固体和刚性的。
这个谜题的关键在于一个被称为“阻塞”（jamming）的概念。想象一下交通拥堵，汽车挤得太紧以至于无法移动；那就是阻塞。在物理学中，当你把一堆粒子（如沙子或玻璃珠）挤压得足够紧密时，它们会突然锁定在一起并获得保持形状的能力，尽管它们并没有形成晶体模式。这种从松散、流动的堆积物到刚性固体块的转变被称为“阻塞转变”。科学家们对此非常感兴趣，因为这可能是解释为什么许多不同的混乱材料表现出相同行为的秘密代码。但有一个大问题悬在领域之上：这种“阻塞”规则是否只适用于混乱的堆积物，还是也适用于那些几乎完美有序、仅带有极微量无序的材料（如带有微小无序的晶体）？
在这项研究中，研究人员张建华（Jianhua Zhang）、司嘉琪（Jiaqi Si）、许宁（Ning Xu）和唐华（Hua Tong）决定测试这一想法的极限。他们创建了一个数字游乐场，在那里他们可以从一个完美的晶体开始，缓慢而细致地引入无序，将其转变为一个混乱的堆积物。他们想要观察“阻塞”规则是否会接管材料的物理特性，即使该材料看起来仍然主要像是一个晶体。
以下是他们的发现： “阻塞”规则是极其强大的。他们发现，只要系统中存在任何程度的无序——即使是微小的、几乎不可察觉的无序——材料的行为最终都会被阻塞定律所主导。这就像是粒子之间接触的混乱本质起到了一个总开关的作用。一旦压力降至某个临界点以下（该点取决于无序程度），材料就会停止表现得像晶体，而是开始表现得像一种阻塞固体，无论它在表面上看起来多么有序。
这一发现意义重大，因为它挑战了一个旧观点。一些科学家曾认为，在晶体世界和阻塞固体世界之间可能存在一条硬性的界限，即“无序阈值”。你可能会想：“如果它是99%的晶体，它就表现得像晶体；如果它是99%的混乱，它就表现得像阻塞。”但本文表明事实并非如此。不存在这样的墙。相反，“阻塞”物理学一直延伸到了完美有序的最边缘。这意味着，阻塞物理学和玻璃形成物理学（即液体冷却过快而无法结晶时发生的现象）可能是两件完全不同的事情。论文指出，阻塞是由粒子接触点的混沌驱动的，而不是由粒子的整体形状驱动的。
研究人员还在这些阻塞状态中发现了隐藏的模式，无论这些材料最初是晶体还是混乱的堆积物。他们发现，粒子与其邻居的连接方式遵循一种普适的分布。这就像是在一个拥挤的房间里，无论人们是站在整齐的队列中还是随机散开，每个人接触到的人数都遵循一种特定的、可预测的模式。他们还发现，粒子之间的“接触”是以一种抑制随机性的方式排列的，这种性质被称为“超均匀性”（hyperuniformity）。这就像是粒子在玩一场“保持距离”的游戏，从而在混沌中创造出一种隐藏的秩序。
最令人惊讶的结果之一是，这些材料发生阻塞时的密度可以极其接近完美晶体的密度。这推向了我们此前认知能力的边界，表明“J线”（发生阻塞的边界）可以比之前的理论预测走得更远。作者指出，这些结果来自计算机模拟，因此虽然模式非常强大且一致，但他们首先是在虚拟世界中观察这些行为。
简而言之，这篇论文表明，混乱固体的刚性秘密不仅在于它们有多混乱，还在于它们在接触点处如何进行自我组织。无论你是从完美的晶体开始，还是从混沌的堆积物开始，只要你挤压得恰到好处，它们似乎都遵循相同的阻塞普适剧本。这有助于科学家理解，从流动的堆积物到固体块的转变是物质的一个基本特征，它并不太在意底层的结构是晶体还是混乱。它提醒我们，有时，最坚硬的结构正是建立在最混沌的基础之上。
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