[論文レビュー] Susceptibility of Orientationally-Ordered Active Matter to Chirality Disorder

Ventejou, Bruno, Chat\'e, Hugues+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2021

Micro and Nano Robotics被引用数 40

ひとこと要約

本研究は、粒子が固有の左折または右折傾向を有するキラリティ・ディスオーダー下での2次元ドライ活性物質における長距離秩序相の安定性を調査する。粒子シミュレーションと流体力学理論を用いて、熱力学的極限において、均一な極性およびネマチック相はいかなる有限のキラリティ・ディスオーダーに対しても不安定であることが示され、一方で非均一なビクゼクスバンドは有限のディスオーダーに耐えることが判明し、秩序相とバンド相の間の根本的な安定性の違いが明らかになった。

ABSTRACT

We investigate the susceptibility of long-range ordered phases of two-dimensional dry aligning active matter to population disorder, taken in the form of a distribution of intrinsic individual chiralities. Using a combination of particle-level models and hydrodynamic theories derived from them, we show that while in finite systems all ordered phases resist a finite amount of such chirality disorder, the homogeneous ones (polar flocks and active nematics) are unstable to any amount of disorder in the infinite-size limit. On the other hand, we find that the inhomogeneous solutions of the coexistence phase (bands) may resist a finite amount of chirality disorder even asymptotically.

研究の動機と目的

• 内在的なキラリティを有する集団的不規則性が方向秩序を持つ活性物質に与える感受性を調査すること。
• 熱力学的極限においてキラリティ・ディスオーダー下でも長距離秩序相（極性およびネマチック）が安定しているかどうかを特定すること。
• このようなディスオーダー下で、均一な秩序相と非均一なバンド相の安定性を比較すること。
• 粒子モデルから流体力学理論を導出し、背後にある不安定性を理解すること。

提案手法

• 連続時間の式を用いて、一定速度と確率的整列ダイナミクスを有する2次元活性粒子をシミュレートする。
• 粒子固有の内在的回転周波数 ωi をガウス分布または二峰性分布から抽出することでキラリティ・ディスオーダーを導入する。
• 周期的境界条件と有限系サイズ（L = 256）を用いた粒子レベルのシミュレーションにより、(ω₀, Dr)パラメータ空間における相図を探索する。
• 粒子モデルから流体力学理論を導出し、秩序解の安定性を解析的に分析する。
• 有限サイズスケーリングを用いて、秩序の破壊が起こる臨界ディスオーダー強度 ω₀* を推定する。
• 相図を分析し、渦、回転する極性パッケージ、活性フォームなどの出現相を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラリティ・ディスオーダーは、無限大系における2次元活性物質の長距離秩序相を不安定化するか？
• RQ2 キラリティ・ディスオーダー下で、均一な極性およびネマチック液体の安定性は、非均一なビクゼクスバンドの安定性と比べてどう異なるか？
• RQ3 キラリティ・ディスオーダーが秩序を持つ活性物質に及ぼす流体力学的不安定性は何か？
• RQ4 キラリティ・ディスオーダー下での秩序相から無秩序相への転移は、有限サイズスケーリングによって特徴づけられるか？
• RQ5 キラリティ・ディスオーダー下で新たに出現する相は何か？ それらは純粋系における相とどのように異なるか？

主な発見

• 熱力学的極限において、極性およびネマチックの均一秩序相の両方が、いかなる有限のキラリティ・ディスオーダーに対しても不安定である。
• 有限サイズのシミュレーションでは、秩序の喪失に伴う臨界ディスオーダー強度 ω₀* が ω₀* ∼ L^−γ（γ ≈ 0.6）のスケーリングを示し、秩序が漸近的に維持されないことが示された。
• これに対して、共存領域における非均一なビクゼクスバンド相は、無限大系でも有限のキラリティ・ディスオーダーに耐える。
• キラリティ・ディスオーダーにより、ガウス分布のディスオーダーではキラル渦が、二峰性分布のディスオーダーでは回転する極性パッケージが出現し、特にフェロ磁性的整列において顕著である。
• ネマチック整列では、高ディスオーダー領域で回転する極性パッケージおよび活性フォーム構造が形成される一方、中程度のディスオーダー領域ではネマチック渦が持続する。
• 流体力学的解析により、キラリティ・ディスオーダー下で均一秩序解が一般に不安定であることが確認され、粒子シミュレーションと整合的である。