最近，我校物理学院马余强教授与2010届博士生施夏清合作在生命活力物质体系的研究中又取得重要突破。他们通过模拟和理论研究观察到该体系中拓扑缺陷结构的异常动力学特征，并进一步揭示了微观拓扑缺陷动力学与宏观大尺度集体行为的关系，该研究成果于12月18日发表在《自然—通讯》上。
拓扑缺陷结构是有序物质序参量场中具有奇异性的一些点或线。拓扑缺陷的出现反映了系统在空间大尺度上的非同质性，它们常常在各种物质形态的物性上起到决定性的作用，包括从早期宇宙的演化到我们日常生活中使用的材料如液晶等。最近在非平衡活力物质的实验体系中也不断观测到拓扑缺陷结构的存在。所谓活力物质，简单说来是一类活性粒子构成的非平衡多体相互作用体系。由于这类体系往往是沟通物理学、化学和生物学研究的桥梁，近年来得到软凝聚态物理学研究者的广泛注意。马余强教授课题组的研究通过驱动椭圆状粒子成功实现了活力物质的液晶态结构: 与对应的平衡态液晶体系缺陷的束缚态和热扩散不同，他们发现了这类非平衡活力体系中拓扑结构的奇异性质(图1)。进一步，他们定量地刻划了体系中拓扑缺陷的异常扩散动力学以及缺陷间新颖的相互作用过程。更为重要的是，由于拓扑缺陷对激发分离后不能通过局域调整来去除系统中的旋错荷，他们预测这一异常特性会导致拓扑结构动力学在宏观大尺度向列相演化中起到重要作用(图2)。通过跟踪大量缺陷的集体运动特性，并与系统大时空尺度的涨落和弛豫行为对比，他们定量地证实了这一猜想。应用上，该研究揭示了可以通过控制拓扑结构的演化来调控活力物质体系的大尺度行为。这将为活力物质的进一步应用提供了一个独特的视角。
图1:（补-诲）活力向列相中出现的拓扑缺陷结构；（别-丑）拓扑缺陷的激发和分离过程；（颈）缺陷扩散的异常生长动力学。
图2:（补-产）高粒子数密度向列相由于缺陷激发导致有序态失稳;（肠）低密度有序向列相态；（诲）高密度下由缺陷运动引发的大尺度粒子数空间涨落。
该项研究得到国家自然科学基金重大研究计划和科技部973项目的资助。（物理学院 任春来）
