Quantum motility-induced phase separation

在物理学繁忙的世界中，存在着一类被称为“活性物质”（active matter）的材料。与静止不动、除非受到外力推动才会移动的沙堆或一杯水不同，活性物质由能够自主运动的微小粒子组成。这些粒子可以是细菌、合成机器人，甚至是鸟群，它们不断消耗能量以推动自身前进。当足够多的这类自驱动粒子聚集在一起时，它们并不仅仅是随机运动，而是会产生组织化。其中一种最引人注目的组织方式是通过一种被称为“运动诱导相分离”（motility-induced phase separation）的现象。想象一个拥挤的房间，每个人都试图朝着特定的方向行走。如果人群变得过于密集，人们就会因为互相碰撞而减速。这种减速会导致更多的人堆积在后面，从而形成一个稠密且移动缓慢的集群，而人数较少的区域则保持快速且空旷。即使这些粒子之间没有相互吸引力，仅仅是运动受阻和被卡住这一行为，就足以使系统分裂成稠密区和稀疏区。

长期以来，这种行为仅在日常物体的经典世界中被理解。然而，科学家们最近开始探讨：当这些规则应用于量子世界——即粒子可以同时存在于多种状态，并由相干性的无形丝线连接在一起时——会发生什么？问题在于，这种消耗能量的、混乱的活性物质运动，能否与量子力学那种精致、同步的本质共存？这种不断的碰撞和能量耗散，究竟会破坏量子连接，还是这两股力量可以协同作用，创造出某种全新的事物？

一组研究人员现在提供了令人信服的证据，证明答案是肯定的。通过构建一个遵循量子定律运动的活性粒子理论模型，他们展示了这种量子版本的集群现象确实可以发生。研究人员创建了一个模拟一维粒子线的模型，这些粒子表现得像硬核玻色子（hard-core bosons），即一种不能占据相同空间的量子粒子。这些粒子具有一个内部状态，就像一个指向左或右的小箭头，决定了它们的运动方向。它们沿着箭头的方向跳跃前进，但只能落在空位上。偶尔，量子过程会翻转它们的箭头，改变其方向，就像一名跑者决定转身一样。

研究团队使用一种强大的计算方法运行了这些模拟，该方法允许他们追踪多达一千个粒子的行为。他们发现，当箭头的量子翻转发生得较慢时，粒子开始聚集。就像经典版本中那样，粒子在稠密区域减速，导致物质堆积。然而，结果揭示了一个至关重要的区别：在模型的最初版本中，粒子虽然形成了集群，但这些集群的大小是有限的，从未长到填满整个线段。这被称为“微相分离”（microphase separation），即系统组织成许多细小的、独立的群体，而不是一个巨大的整体。研究人员观察到，线段中某一小部分的粒子数量波动剧烈，这是这种集群行为的一个特征信号。

为了测试他们是否能迫使粒子分离成一个单一的、巨大的领域，研究人员增加了一条新规则：相邻粒子之间的排斥力。这种力量使得粒子除非以一种鼓励它们自我困住的方式进行排列，否则在空间上紧邻彼此在能量上是不利的。加入这一规则后，模拟显示，随着系统规模的增大，集群变得显著变大，这表明存在一种真正的、纯正的相分离，即粒子分裂为一个稠密区域和一个稀疏区域。

或许最令人惊讶的发现是，在粒子进行这种混乱集群的过程中，其量子特性发生了什么变化。在经典物理学中，当粒子相互碰撞并减速时，任何精致的量子连接通常会被噪声和摩擦破坏。研究人员原本预期不断的跳跃和耗散会抹除量子相干性。然而，他们发现，集群后的稳态状态仍然保留了强大的、长距离的量子相干性。处于稠密集群中的粒子仍然以同步的量子状态相互连接，这是一个在经典世界中找不到对应物的特征。正是集群的行为过程，创造了一个保护环境，使得量子连接得以生存甚至茁壮成长。

这项研究表明，活性物质的能量消耗驱动力与量子相干性的精致本质之间的相互作用，导致的不是破坏，而是协作。驱动粒子聚集的“活性”实际上有助于保护其量子态。这一发现确立了一种全新的非平衡态量子态，与以往所见的任何状态都截然不同。尽管这些结果来自计算机模拟，但用于构建该模型的要素——定向耗散、相干旋转和严格的排除规则——在利用超冷原子进行的当前实验技术下是完全可以实现的。这为未来在真实实验室中观察这些量子集群打开了大门，可能揭示一个新的前沿领域：在这里，活性物质的混沌运动与量子力学的神秘秩序相结合，共同塑造着量子材料的未来。