[논문 리뷰] Susceptibility of Orientationally-Ordered Active Matter to Chirality Disorder

Ventejou, Bruno, Chat\'e, Hugues외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 29.

Micro and Nano Robotics인용 수 40

한 줄 요약

이 연구는 입자가 고유한 좌회전 또는 우회전 성향을 지닌 두차원 건조 활성 물질에서 편향 불규칙성에 의한 장거리 순서 상의 안정성을 조사한다. 입자 시뮬레이션과 유체역학 이론을 사용하여, 열역학적 한계에서 균일한 극성 및 나에미틱 상은 어떤 양의 편향 불규칙성에도 불안정하며, 비균일한 비크제 밴드는 유한한 불규칙성에 저항할 수 있음을 보여주며, 순서 상과 밴드 상 간의 내구성에 근본적인 차이를 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 내재된 편향성에 의한 인구 불규칙성에 대한 방향 질서를 지닌 활성 물질의 민감도를 조사하기 위해.
• 열역학적 한계에서 장거리 질서 상(극성 및 나에미틱)이 편향 불규칙성 하에서도 안정하게 유지되는지 확인하기 위해.
• 이러한 불규칙성 하에서 균일한 질서 상과 비균일한 밴드 상의 내구성 비교하기 위해.
• 입자 모델에서 유체역학 이론 유도하여 기저의 불안정성 이해하기 위해.

제안 방법

• 지속적인 시간 방정식을 사용하여 일정한 속도와 확률적 정렬 역학을 갖는 두차원 활성 입자를 시뮬레이션한다.
• 가우시안 또는 이중분포에서 유래한 입자별 고유의 회전 주파수 ωi를 통해 편향 불규칙성을 도입한다.
• 주기적 경계 조건과 유한한 시스템 크기(L = 256)를 사용하여 (ω₀, Dr) 매개변수 공간에서 상도를 탐색하기 위해 입자 수준의 시뮬레이션을 수행한다.
• 입자 모델에서 유체역학 이론을 유도하여 질서 해의 안정성을 분석적으로 분석한다.
• 유한 체적 스케일링을 사용하여 질서가 붕괴되는 임계 불규칙성 강도 ω₀*를 추정한다.
• 상도를 분석하고, 소용돌이, 도전하는 극성 패킷, 활성 거품과 같은 새로운 상을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무한 크기 근사에서 2차원 활성 물질의 장거리 질서 상은 편향 불규칙성에 의해 불안정해지는가?
• RQ2 편향 불규칙성 하에서 균일한 극성 및 나에미틱 액체의 내구성은 비균일한 비크제 밴드 상과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 질서가 있는 활성 물질에서 편향 불규칙성으로 인해 발생하는 유체역학적 불안정성은 무엇인가?
• RQ4 유한 체적 스케일링을 통해 편향 불규칙성 하에서 질서에서 무질서로의 전이를 특성화할 수 있는가?
• RQ5 편향 불규칙성 하에서 새로운 상이 어떻게 나타나며, 순수한 시스템과는 어떻게 다를까?

주요 결과

• 열역학적 한계에서 균일한 극성 및 나에미틱 질서 상은 어떤 유한한 양의 편향 불규칙성에도 불안정하다.
• 유한 체적 시뮬레이션 결과, 질서 상실의 임계 불규칙성 강도 ω₀*는 ω₀* ∼ L^−γ (γ ≈ 0.6)로 스케일링되며, 이는 질서가 점점 더 유지되지 않음을 시사한다.
• 반면, 공존 영역 내 비균일한 비크제 밴드 상은 무한 크기 근사에서도 유한한 양의 편향 불규칙성에 저항할 수 있다.
• 편향 불규칙성은 새로운 상의 출현을 유도하며, 가우시안 불규칙성에서는 편향 소용돌이가, 이중분포 불규칙성에서는 도전하는 극성 패킷이 특히 강한 자성 정렬에서 나타난다.
• 나에미틱 정렬의 경우, 고도의 불규칙성에서는 도전하는 극성 패킷과 활성 거품 구조가 형성되며, 중간 정도의 불규칙성에서는 나에미틱 소용돌이가 유지된다.
• 유체역학 분석은 균일한 질서 해가 편향 불규칙성 하에서 일반적으로 불안정하다는 것을 확인하며, 입자 시뮬레이션 결과와 일치한다.