Collective states of active matter with stochastic reversals: emergent chiral states and spontaneous current switching
研究了具有拓扑相互作用和方向反转的活性粒子的集体动力学行为。令人惊讶的现象显示出现的相互作用弛豫时间是不同的相对于反转率，如自发形成的集体手征态由于相位同步，集体方向反转的存在下的限制。这些结果对模拟和理解活性物质中的集体反转和同步现象有直接的关系。
2022-03-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A mean-field model of intermittent particle transport and its quasi-steady-state approximation
我们提出了一个平均场模型的间歇性粒子传输，其中一个粒子可能是在两个阶段之一：第一个是主动（弹道）阶段，当一个粒子在某个方向上以恒定的速度运行，第二个是被动（扩散）阶段，当粒子自由扩散。质点可以瞬间改变运动的相位。当粒子处于活性相时，过渡到惰性相的速率通常取决于从运行开始的时间，因此自由程的分布不是指数的。当粒子处于被动相时，跃迁速率是常数，扩散是非反常布朗扩散。
2017-10-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Reducing mean first passage times with intermittent confining potentials: a realization of resetting processes
在随机搜索期间，不时地将搜索者的位置重置到起始点通常会减少该过程的平均完成时间。虽然在过去的十年中已经研究了许多不同的重置模型，但只有少数可以实际实现。在这里，我们从理论上研究的协议，可以实现实验，并表现出不寻常的优化性能。布朗粒子受到任意约束势$v(x)$的作用，该势以固定的速率间歇地打开和关闭。运动被约束在位于原点的吸收壁和反射壁之间。当墙是足够远的距离，在“关”的阶段和吸引力之间的相互作用的自由扩散的潜在的最小值在“开”的阶段引起丰富的行为，没有观察到在理想的重置模型。对于形式为$v(x)=k|x-x_0|^n/n$的电势，随着$k$的变化，使到原点的平均首次通过时间（MFPT）最小化的接通和关断速率经历连续的相变。当$k$高于一个临界值$k_c$时，潜在的不稳定性增强了目标遭遇：最小的MFPT低于Kramer时间，并且是针对一对非零的切换率而获得的。我们专注于谐波的情况下$n=2$，推广以前的结果分段线性潜力（$n=1$）在无界区域。我们还研究了在这个过程中出现的非平衡定态。
2022-07-28 cond-mat.stat-mech
Controlling the microstructure and phase behavior of confined soft colloids by active interaction switching
我们探索了受限软胶体的微观结构和相行为，这些胶体可以以预定义的动力学速率主动切换它们的相互作用。为此，我们采用反应扩散方法的基础上的反应动力学密度泛函理论（R-DDFT）和研究的效果的二进制（两个状态）切换的大小的胶体与高斯对势相互作用。切换率在低速率下的近平衡二元高斯混合物和大速率下的有效单分散液体之间插值，因此强烈影响单体密度分布、吸附和围壁处的压力。重要的是，我们证明，足够快的开关阻碍相分离的（平衡）不稳定的液体，允许动态控制的混合/冷凝的程度和局部微观结构的细胞限制通过调整开关速率。
2020-04-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Tunable bimodal explorations of space from memory-driven deterministic dynamics
我们提出了一个波记忆驱动的系统，表现出间歇性的两个推进模式之间的切换在自由空间。该模型是基于一个点状粒子发射周期性圆柱形驻波。受到与局部波场梯度相关的力，粒子被推进，而波场存储粒子轨迹上的位置信息。对于长记忆，线性运动是不稳定的，我们观察到两个推进模式之间的不稳定的开关：线性运动和扩散运动。我们表明，双峰推进和随机方面的动态在很长一段时间内产生的Shil'nikov混沌。系统的存储器控制在每个阶段中花费的时间的分数。由此产生的双峰动态显示出与间歇性搜索策略的类比，这些策略通常在复杂性高得多的生命系统中观察到。
2019-03-27 cond-mat.stat-mech
Unravelling intermittent features in single particle trajectories by a local convex hull method
我们提出了一种新的无模型方法来检测不同阶段之间的变化点在一个单一的随机轨迹的间歇性随机过程。为每个轨迹点构造局部凸包（LCH），而其几何特性（例如，直径或体积）被用作相位之间的鉴别器。LCH方法的有效性进行了验证的六个模型的间歇运动，包括布朗运动与不同的扩散率或漂移，分数布朗运动与不同的赫斯特指数，和表面介导的扩散。我们讨论了潜在的应用程序的主动和被动阶段的细胞内运输，时间捕获或结合的扩散分子，交替的体积和表面扩散，运行和翻滚（或搜索）阶段的细菌和觅食动物的运动，和瞬时放电率在神经元中的检测方法。
2017-08-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Avalanche Dynamics for Active Matter in Heterogeneous Media
利用数值模拟，我们研究了活性物质运行和翻滚磁盘在无序排列的障碍物移动的动力学。作为一个功能的增加活动磁盘密度和活动，我们发现一个过渡从一个完全堵塞的状态到一个连续的流动阶段，并在大的活动限制，我们观察到一个间歇性的状态，在那里的运动发生在雪崩的幂律分布的大小与指数$β= 1.46$。相反，在热或低活动极限，我们发现的运动爆发的大小分布不广泛。我们认为，在高度活跃的制度，该系统达到了自干扰状态，由于活动引起的自聚簇，和间歇性的动力学是类似的发现在生产的非晶态固体。我们的研究结果表明，活动是另一种途径，通过它颗粒系统可以调整到一个非平衡临界状态。
2017-09-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Brownian motion under intermittent harmonic potentials
本文研究了强度为$μ= μ_0 ν$的间歇谐波势对具有阻尼系数$ν$的过阻尼布朗粒子的影响。这可以被认为是实现随机重置的现实模型。我们表明，这种动态承认一个固定的解决方案，在所有参数制度和计算的位置分布的全时变方差，并找到特征松弛时间。我们发现在极限下的精确的非平衡定态分布--（i）$γ\llμ_0 $，它显示出一个非平凡的分布，另外作为$μ_0\to\infty$，我们得到了具有不应期的复位的结果;（ii）$γ\ggμ_0$，其中粒子弛豫到具有原始势的一半强度的Ornstein-Uhlenbeck过程的Boltzmann分布;（iii）中间$γ=2nμ_0$，对于$n=1, 2$。找到目标的平均首次通过时间（MFPT）表现出与切换速率的优化，然而，与瞬时复位不同的是，MFPT不会发散，而是在大速率下达到稳定值。MFPT也表现出类似的行为相对于潜在的强度。我们的结果可以在胶体的实验中使用光镊验证。
2021-07-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Global density equations for a population of actively switching particles
本文研究主动切换粒子群体的密度演化，分别针对共同随机环境与独立切换情形推导 hSPDE、hPDE、矩方程、快速切换极限及路径积分表示。
2023-12-08 cond-mat.stat-mech q-bio.QM
Diffusion in active magnetic colloids
综述了环泳运动员活性胶体的性质。作为活性磁性胶体的一个具体例子，考虑了在旋转磁场作用下的趋磁细菌。基于主方程导出了由于旋转电机旋转方向的随机切换而引起的扩散系数的关系。所得到的关系证实了随机轨迹的趋磁细菌的泊松型内部噪声的作用下，由于随机开关的旋转电机的直接数值模拟。所获得的结果是在定性和定量的协议与现有的实验结果，并允许一个确定的特征时间之间的切换事件的细菌的旋转电机。
2013-10-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Active interaction switching controls the dynamic heterogeneity of soft colloidal dispersions
我们采用反应动力学密度泛函理论（R-DDFT）和反应布朗动力学（R-BD）模拟来研究具有二元相互作用切换的活性软高斯胶体悬浮液的动力学，即，一种单组分胶体系统，其中每个粒子以预定的速率在具有不同迁移率的两种相互作用状态之间随机切换。使用R-DDFT，我们扩展了以前开发的理论，以访问非均匀液体的动力学，研究开关活动的影响，在本体溶液中的Van Hove函数的自我和不同的部分，并确定相应的均方位移的开关粒子。我们的研究结果表明，即使平均扩散系数不受开关活动的影响，它显着修改的非平衡动力学和扩散系数的个别粒子，导致从短到长的时间交叉，与制度的中间时间显示异常扩散。此外，van Hove函数的自部分在短时间和长时间具有高斯形式，但在中间时间变为非高斯形式，在短位移和大位移之间具有交叉。相应的自中间散射函数显示了通常在具有非均匀动力学的软材料（如玻璃和凝胶）中观察到的两步弛豫模式。我们还介绍了一个唯象的连续时间随机游走（CTRW）理论来理解这个系统的异质扩散。R-DDFT结果与R-BD模拟和CTRW理论的分析预测非常吻合，从而证实R-DDFT不仅是研究非平衡主动开关胶体悬浮液的结构和相行为，而且是研究其动力学性质的有力方法。
2021-12-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Traffic Dynamic Instability
在这里，我们研究了微管解聚分子马达的驱动格子气模型，其中交通堵塞的马达诱导微管生长和收缩之间的随机切换。我们称这种现象为\enquote{traffic dynamic instability}，因为它使人联想到微管动态不稳定性[T. Mitchison和M. Kirschner，Nature 312，237（1984）]。生长和收缩的间歇性动力学出现在微管尖端的马达的到达，马达诱导的解聚，和马达从尖端脱离之间的相互作用。开关动力学与晶格上的低和高马达密度相关。这导致系统中的有效地分散的颗粒密度。一个完善的畴壁理论预测在系统中的不同阶段的这种瞬态外观。理论结果得到了随机模拟的支持。
2015-05-05 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Asymmetric Nucleation Processes in Spontaneous Mode Switch of Active Matter
本研究针对活性物质中群集与涡旋两种运动模式的自发切换机制不明确的问题，通过二维类Vicsek系统模拟发现两种模式的切换动力学呈非对称成核特征，丰富了活性物质相变动力学的认知。
2024-01-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Orientational Memory of Active Particles in Multistate Non-Markovian Processes
在复杂随机过程中，粒子的方向记忆可以作为扩散性、扩散性和搜索效率的有效度量。我们开发了一个理论框架来描述的衰减的方向相关性在一个通用类的随机活动过程组成的不同的运动状态，其特征在于它们的持久性和切换概率之间的状态。对于指数分布的逗留时间，方向自相关的解析推导和其交叉的特征时间得到的持久性的每个状态和切换概率。我们展示了如何感兴趣的非指数sojourn-time分布，如高斯分布和幂律分布，可以导致从历史依赖的状态之间的转换。在这种非马尔可夫过程中，关联函数的松弛行为是由切换概率的历史依赖性决定的，不能仅仅由状态的平均逗留时间决定。
2022-09-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Motile topological defects hinder dynamical arrest in dense liquids of active ellipsoids
最近的数值研究表明，在致密的活性物质中，活性运动的持续时间是控制玻璃态动力学的一个关键参数。在这里，我们研究了在液体中的颗粒活动椭球的可调持久性和速度的动力学。我们表明，增加持续时间在适度过冷相当于增加吸引力的平衡液体的强度，并导致重入动力学不仅在平移的自由度，如预期的那样，但也在取向的。然而，在高密度，能动的拓扑缺陷，独特的活性液体的细长粒子，阻碍动态逮捕。最值得注意的是，对于最高活性，我们首次观察到由于这些缺陷的干扰-解除干扰而导致的间歇性动态。
2022-03-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Designing topological edge currents in chiral active matter
University of Stuttgart（斯图加特大学）；Max Planck Institute for Intelligent Systems（马克斯·普朗克智能系统研究所）
通过引入手性切换的二维活性粒子模型，展示了鲁棒的边缘电流，并利用拓扑分析证明其为拓扑边缘模，为设计活性物质中的鲁棒边缘电流提供指导。
2026-07-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Non-equilibrium structure and relaxation in active microemulsions
本文提出可解析的活性微乳液模型，研究活性对微相分离结构与弛豫动力学的影响，发现弛豫呈现两个不同区域，并将其归因于两亲分子间歇性活性导致的细致平衡破缺。
2025-06-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Extreme value statistics for branching run-and-tumble particles
活性物质的极值统计提供了对其独特性质的重要见解。一个相变最近被报道在一个模型的分支运行和翻滚粒子，描述了空间扩展的一个不断发展的群体的活性物质在一维。在“持续”阶段中，颗粒形成宏观鲁棒簇，其作为整体弹道传播，而在“间歇”阶段中，颗粒被隔离。我们的研究集中在这个模型的最右边的位置$x_{\max}(t)$达到的时间$t$的波动。在长时间内，随着菌落逐渐侵入未探测区域，$x_{\max}(t)$的累积概率由行进锋描述。这一转变对这一领域产生了显著影响。在间歇阶段，它在性质上类似于满足Fisher-KPP方程的波前，Fisher-KPP方程描述了非活动分支布朗运动的极值统计。一个显着不同的行为出现在持续阶段，活动赋予了我们精确计算的意想不到的和不寻常的特征。
2020-06-08 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Active stop and go motion: a strategy to improve spatial exploration and survival
该研究通过建立间歇切换的主动布朗粒子模型，推导输运性质精确表达式，并结合代谢动力学发现存在最优停止频率和最优扩散系数以最大化粒子生存时间。
2025-09-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
