南京大学固体微结构国家重点实验室、安徽大学物理学院联合科研团队在《Physical Review X》发表理论与模拟突破性成果,系统证明具备质心守恒的非平衡超均匀流体拥有不同于伊辛普适类的气液相临界行为,以活性自旋流体为具体研究载体,发现临界点密度涨落有限而压缩率仍呈发散特征,违背经典涨落耗散关系;同时揭示超均匀效应将上临界维度由四维降至二维,关联函数与响应函数呈现长短程分离的反常特征,建立标度依赖的广义涨落耗散理论,重塑非平衡临界现象的基础认知。平衡态流体气液相变的临界行为严格归属于伊辛普适类,临界涨落发散、关联函数准长程衰减是公认特征。而超均匀流体作为一类长波密度涨落被强烈抑制的特殊无序体系,多存在于活性物质、颗粒体系与量子分形材料中,且普遍具备额外质心守恒约束。长期以来,非平衡超均匀流体是否仍遵循传统临界标度规律、普适类是否发生改变,始终是统计物理与软物质领域的核心争议,缺乏完备的理论框架与数值验证。
研究团队首先构建普适场论框架,推导满足质心守恒噪声的广义动力学方程,突破经典模型 B 的限制,建立适用于超均匀体系的理论描述。选取二维活性自旋流体作为典型物理实现,通过分子动力学模拟构筑密度 - 转矩相图,划分吸收态、超均匀流体相与气液共存相三大稳定区域。利用重正化群分析、随机场模拟与有限尺寸标度相结合的方法,系统研究临界点的涨落、关联、响应与自旋分解行为。
研究发现二维超流体临界点最核心的反常特征:结构因子在长波极限趋于常数,密度涨落不再发散,但等温压缩率仍保持临界发散,形成 “平静却高敏感” 的独特临界状态。体系在临界点呈现高斯型密度涨落,与平均场伊辛模型的非高斯行为形成鲜明对比;配对关联表现为短程衰减,而响应函数仍为准长程分布,打破平衡态体系关联与响应的对称对应关系。
团队进一步厘清超均匀体系的维度效应,证实其上临界维度由传统四维降至二维,二维即可达到平均场临界行为。同时发现体系能量涨落无对数发散特征,与伊辛体系临界标度完全不同;临近临界点时,旋节分解时间趋于发散而特征尺度保持有限,呈现非传统相分离动力学,区别于经典 Cahn-Hilliard 体系的粗化规律。
所有反常行为的物理根源,在于体系满足标度依赖的有效温度与广义涨落耗散关系,长波极限下有效温度趋于零,天然抑制密度涨落却保留响应发散特性。研究通过威尔逊动量壳重正化群方法求解临界指数,给出整套标度关系,并借助大尺度随机场模拟与活性粒子模拟交叉验证理论预言的准确性。
该工作建立非平衡超均匀流体气液相临界的完整理论体系,发现全新非伊辛临界普适类,颠覆传统平衡临界现象的认知边界。研究提出的广义模型 B 与标度依赖涨落耗散关系,可为活性胶体、振动颗粒、光控原子体系等实验平台提供理论指引,也为分形物、强关联流体等复杂体系的临界行为研究提供通用理论范式,推动非平衡统计物理与软凝聚态物理的理论发展。
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