[论文解读] Irreversibility and biased ensembles in active matter: Insights from stochastic thermodynamics

Étienne Fodor, Robert L. Jack+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2021

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 109被引用 128

一句话总结

本文应用随机热力学，通过系综熵产生率来量化活性物质系统中的不可逆性，将其与能量耗散和集体行为相联系。研究表明，通过大偏差理论生成的偏置轨迹系综可揭示在平衡系统中不存在的新奇非平衡相变，为系统区分活性与平衡物理提供了系统性框架。

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.

研究动机与目标

• 识别活性物质系统中偏离平衡状态的系统性、明确的度量方法。
• 建立粗粒度熵产生率与活性系统中能量耗散之间的联系。
• 探讨集体行为如何影响非平衡稳态下系统的不可逆性与热力学特征。
• 开发并应用偏置轨迹系综，以发现活性物质中非典型的非平衡相变。
• 确定偏置诱导的活性系统相变是否在被动系统中无对应现象，从而揭示真正的非平衡行为。

提出的方法

• 使用随机热力学定义广义熵产生率，作为活性系统中动力学不可逆性的度量。
• 应用大偏差理论，构建条件于非平衡可观测量（如电流或密度涨落）的典型值之外的轨迹偏置系综。
• 引入控制力或倾斜场以实现特定的动力学偏置，从而研究罕见事件与相变。
• 分析粒子基模型与流体动力学场论，以评估不同尺度下的不可逆性。
• 将信息熵产生率与具有非保守力的系统的热力学熵产生率及能量耗散相联系。
• 采用数值模拟与非平衡统计力学的分析工具，探测偏置系综的结构及其相关相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用随机热力学量化活性物质中的不可逆性？其与能量耗散有何关联？
• RQ2 集体现象（如运动诱导相分离或 flocking）在多大程度上改变了系统动力学的不可逆性？
• RQ3 偏置轨迹系综能否揭示在平衡系统中无对应物的活性物质相变？
• RQ4 在相似偏置条件下，活性系统中非平衡相变的机制与被动系统有何不同？
• RQ5 粗粒度熵产生率在识别活性主导于平衡行为的区域或相中起什么作用？

主要发现

• 即使热力学一致性未被严格维持，粗粒度熵产生率仍可作为活性系统中不可逆性的稳健、可量化的度量。
• 在运动诱导相分离（MIPS）等系统中，密集簇集区域的熵产生显著增强，表明时间反演对称性被破坏。
• 偏置轨迹系综揭示了活性物质中新型相变，如电流涨落的动力学相变，这些相变在平衡系统中无对应现象。
• 将大偏差理论应用于活性系统，可识别出罕见但物理上重要的动力学态，如长寿命的极性序或持续的电流模式。
• 对于活性物质的流体动力学模型，熵产生率可表示为流体动力学场的函数，从而实现对不可逆性的场论描述。
• 本文表明，尽管有效平衡描述有时可近似活性稳态，但其无法捕捉动力学的内在不可逆性与非平衡特性，尤其是在存在集体运动或相分离时。