[論文レビュー] Giant Number Fluctuations in Self-Propelled Particles with no Alignment

Yaouen Fily, M. Cristina Marchetti|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2012

Micro and Nano Robotics被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、配向相互作用のない自己駆動極性ディスク系における等方的反発力と回転ノイズの影響を調査し、自己駆動によって非平衡状態に駆動される活性系において、配向性がなくても相分離および巨大な数のフラクチュエーションが普遍的に生じることを示している。結果は、このような振るまいが局所的に駆動される活性物質の普遍的特徴であることを明らかにし、極性秩序とは無関係である。

ABSTRACT

We study numerically and analytically a model of self-propelled polar disks on a substrate in two dimensions. The particles interact via isotropic repulsive forces and are subject to rotational noise, but there is no aligning interaction. As a result, the system does not exhibit an ordered state. The isotropic fluid phase separates well below close packing and exhibits the large number fluctuations and clustering found ubiquitously in active systems. Our work shows that this behavior is a generic property of systems that are driven out of equilibrium locally, as for instance by self propulsion.

研究の動機と目的

• 極性秩序が存在しない活性物質系におけるクラスタリングおよび大きな数のフラクチュエーションの発生を理解すること。
• 等方的相互作用および自己駆動力のみで、2次元の活性系に相分離が引き起こされるかどうかを調査すること。
• 観察されたフラクチュエーションが、配向性メカニズムとは独立して、局所的な非平衡駆動の普遍的結果であるかどうかを特定すること。
• 方向性の整列なしに集団的挙動を示す最小限の活性物質モデルを確立すること。

提案手法

• 等方的反発相互作用を有する2次元の基板上における自己駆動極性ディスクの数値シミュレーション。
• 方向整列相互作用を一切含まない回転ノイズを導入し、確率的再方向化をモデル化する。
• 系の流体力学的挙動を解析的にモデル化し、巨大な数のフラクチュエーションの起源を理解すること。
• 粒子密度プロファイルと数のフラクチュエーション統計を用いた系の相挙動の研究。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子間の配向相互作用が完全に存在しない活性系において、相分離および巨大な数のフラクチュエーションが生じ得るか？
• RQ2 自己駆動力と等方的反発力が、大規模なクラスタリングおよび非平衡フラクチュエーションを引き起こす役割を果たすのはどのようなものか？
• RQ3 観察された挙動は、極性秩序に依存しない、局所的に駆動される活性系の普遍的特徴であるか？
• RQ4 等方的相互作用と回転ノイズが、どのようにして活性物質に巨視的不均一性を引き起こすのか？

主な発見

• 配向性相互作用が存在しないにもかかわらず、密 Packing よりもはるかに低い密度でも、系は密度の高いクラスタと希薄な領域に相分離する。
• フラクチャール相において巨大な数のフラクチュエーションが観察され、強い巨視的不均一性を示している。
• クラスタリングおよび大きなフラクチュエーションは、方向性秩序ではなく、自己駆動による局所的非平衡駆動のおかげで持続する。
• この挙動は、局所的に非平衡状態に駆動される系に共通するものであり、等方的相互作用を有する活性物質に広く適用可能であると考えられる。