[논문 리뷰] Irreversibility and biased ensembles in active matter: Insights from stochastic thermodynamics

Étienne Fodor, Robert L. Jack외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 14.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 109인용 수 128

한 줄 요약

이 논문은 활성 물질 시스템에서의 비가역성에 대해 군집화된 엔트로피 생성을 통해 정량화하기 위해 확률적 열역학을 적용하며, 에너지 소산과 집단적 행동과의 연관성을 규명한다. 비균형 상전이의 새로운 유형이 평형 시스템에는 존재하지 않음을 보여주며, 활성 물리학과 평형 물리학을 명확히 구분할 수 있는 체계적인 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Active systems evade the rules of equilibrium thermodynamics by constantly dissipating energy at the level of their microscopic components. This energy flux stems from the conversion of a fuel, present in the environment, into sustained individual motion. It can lead to collective effects without any equilibrium equivalent, such as a phase separation for purely repulsive particles, or a collective motion (flocking) for aligning particles. Some of these effects can be rationalized by using equilibrium tools to recapitulate nonequilibrium transitions. An important challenge is then to delineate systematically to which extent the character of these active transitions is genuinely distinct from equilibrium analogs. We review recent works that use stochastic thermodynamics tools to identify, for active systems, a measure of irreversibility comprising a coarse-grained or informatic entropy production. We describe how this relates to the underlying energy dissipation or thermodynamic entropy production, and how it is influenced by collective behavior. Then, we review the possibility to construct thermodynamic ensembles out-of-equilibrium, where trajectories are biased towards atypical values of nonequilibrium observables. We show that this is a generic route to discovering unexpected phase transitions in active matter systems, which can also inform their design.

연구 동기 및 목표

• 활성 물질 시스템에서 평형에서의 이탈을 체계적이고 명확한 방법으로 측정하는 데 목적이 있다.
• 활성 시스템에서 군집화된 엔트로피 생성과 에너지 소산 사이의 관계를 수립하는 데 목적이 있다.
• 집단적 행동이 비가역성과 비평형 안정 상태에서의 열역학적 서명에 어떻게 영향을 미치는지 탐구하는 데 목적이 있다.
• 비정상적 비가역적 상전이를 발견하기 위해 편향된 궤적 군집을 개발하고 적용하는 데 목적이 있다.
• 편향에 의해 유도된 활성 시스템의 전이가 수동 시스템에서는 존재하지 않으며, 진정으로 비가역적인 현상임을 규명하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 활성 시스템에서의 역동적 비가역성 측정 도구로 일반화된 엔트로피 생성률을 정의하기 위해 확률적 열역학을 사용한다.
• 비평형 관측량(예: 전류 또는 밀도 변동)의 이례적인 값에 조건화된 궤적의 편향된 군집을 구성하기 위해 대규모 편차 이론을 적용한다.
• 특정 역동적 편향을 구현하기 위해 제어력 또는 기울기 필드를 도입하여 희귀 사건과 전이의 연구를 가능하게 한다.
• 입자 기반 모델과 유체역학적 장 이론을 모두 분석하여 다양한 척도에서 비가역성을 평가한다.
• 정보 엔트로피 생성과 비보존력이 작용하는 시스템에서의 열역학적 엔트로피 생성 및 에너지 소산 간의 관계를 규명한다.
• 비평형 통계역학의 수치 시뮬레이션과 분석 도구를 활용하여 편향된 군집의 구조와 관련된 상전이를 탐구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 물질에서의 비가역성은 어떻게 확률적 열역학을 통해 정량화할 수 있으며, 에너지 소산과 어떤 관련이 있는가?
• RQ2 모빌리티 유도 상분리나 군집 행동과 같은 집단 현상은 시스템 역학의 비가역성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 편향된 궤적 군집은 평형 이론의 초월한 활성 물질의 상전이를 드러낼 수 있는가?
• RQ4 유사한 편향 조건에서 활성 시스템의 비가역적 전이 메커니즘은 수동 시스템의 전이 메커니즘과 어떻게 다를까?
• RQ5 군집화된 엔트로피 생성은 활성 행동가 평형 행동가 지배하는 영역 또는 상을 식별하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• thermodynamic 일관성이 엄격히 유지되지 않더라도 군집화된 엔트로피 생성률은 활성 시스템에서 비가역성의 강력하고 정량화 가능한 측정 도구로 기능한다.
• 모빌리티 유도 상분리(MIPS)와 같은 시스템에서 밀도가 높고 군집화된 영역에서는 엔트로피 생성이 크게 증가하며, 시간 역행 대칭의 붕괴를 시사한다.
• 편향된 궤적 군집은 평형 시스템에 대응이 없는 새로운 종류의 상전이, 예를 들어 전류 변동에서의 동적 전이를 드러낸다.
• 활성 시스템에 대규모 편차 이론을 적용하면 장기간 지속되는 극성 질서나 지속적인 전류 패tern과 같은 희귀하지만 물리적으로 중요한 역동적 상태를 식별할 수 있다.
• 활성 물질의 유체역학적 모델에서는 엔트로피 생성을 유체역학적 장으로 표현할 수 있어 비가역성의 장 이론적 기술이 가능해진다.
• 논문은 효과적인 평형 기술이 때로 활성 안정 상태를 근사할 수는 있지만, 특히 집단 운동이나 상분리가 존재할 경우 시스템의 내재된 비가역성과 비가역적 특성을 포착하지 못함을 보여준다.