IOP出版社北京办公室

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JPhysA编辑优选:非平衡临界动力学的标度转变理论

本研究来自西湖大学崔维成实验室。尽管非平衡临界现象的研究已发现多个动力学普适类,但在描述多个普适标度间的转变时仍面临挑战。该研究建立了一个系统描述反应-扩散系统中标度转变的唯象模型——具有含时系数的伯努利微分方程。普适解准确描述了湍动液晶和激子复合中的标度转变的实验观察,为理解临界动力学提供了新工具。 文章介绍 Scaling crossovers in non-equilibrium critical dynamics Rong Li(李荣), Qirui Ding(丁启睿) and Weicheng Cui(崔维成) 通讯作者: 李荣,西湖大学工学院电子与信息工程系 崔维成,西湖大学工学院电子与信息工程系   研究背景: 标度律和普适性是理解相变和临界现象的核心概念,揭示了不同微观系统如何表现出相似的临界行为。在远离平衡条件下,已确立了Kardar-Parisi-Zhang动态标度、扩散限制动力学以及定向渗流等几个重要的动力学普适类。 然而,实验研究揭示真实系统的演化往往超越单一动力学普适类,表现为多个不同标度之间的转换。例如,碳纳米管中激子-激子复合显示从反应限制衰减(1/t)到扩散限制标度(t-1/2)的转换;湍动液晶中吸收相变也展现多阶段弛豫过程。 目前对反应-扩散转变和多步弛豫已有定性描述,但解析精确的定量描述仍存在理论空白。传统单一标度假设在早期发散,且两步模型预测的反应-扩散转变远比实际观察更加缓慢,表明标度转变的解析描述需要更准确的理论工具。   研究内容: 本研究发展了一种描述非平衡临界动力学中标度转变的唯象方法。从反应-扩散系统的基本方程出发,我们导出了控制空间平均场演化的含时Bernoulli微分方程。其中反应系数的时间依赖主要源于空间涨落。研究团队提出了反应系数的标度不变性假设,并基于此推导出了方程的五类标度转变的严格解析解。 研究团队将理论应用于两个重要的非平衡实验系统。对于湍动液晶中的吸收相变,标度转变函数精确地描述了从早期缓慢衰减、中间的临界幂律衰减到末期的稳定或指数衰减的整个过程,解决了单一标度描述的早期发散问题和常反应系数系统的非幂律行为。对于碳纳米管中的激子-激子复合,研究揭示了一个新的双组分模型,精确刻画了实验观察到的突然转变现象,可能源于激子在高密度团簇和低密度区域之间的二象性存在。 该研究的创新意义在于:提供了一个系统描述动力学标度转变的解析理论,拓展了动力学普适性的唯象理论框架,为理解其他复杂非平衡系统的多阶段动力学演化提供了有力的工具。例如,本文的附录和讨论分别探讨了模型对描述Couette湍流和生物生长的可行性。 作者介绍 李荣  副研究员 西湖大学 李荣,西湖大学工学院电子与信息工程系,副研究员。长期从事复杂系统的数理模型研究,特别是超导材料的输运理论和非平衡相变方程,生物体系的非线性动力学方程研究。在Communications Physics, New Journal of Physics, Journal of Physics A, Royal Society Open Science等国际期刊发表论文10余篇,部分研究工作获得业内同行的赞誉和社会关注。   崔维成  教授 西湖大学 崔维成,西湖大学工学院讲席教授。长期从事大型复杂工程系统的多学科设计优化理论及应用研究,曾任“蛟龙”号载人潜水器总体与集成项目负责人,第一副总设计师,“百千万人才工程”一二层次首批人选,“长江学者奖励计划”首批特聘教授。2018年加盟西湖大学后,致力于基于东方二元共存哲学构建复杂系统统一理论的前沿基础研究。 期刊介绍 Journal of Physics…

英国物理学会会士访谈|华中科技大学刘世元教授

英国物理学会(Institute of Physics,简称IOP)成立于1873年,是一个致力于提高对物理学理解和应用的知名国际性学术机构,其使命是促进物理学的发展和其在全世界的传播,致力于在全球范围内推动和传播物理学的研究和应用, 以及促进物理学教育的发展。根据专家推荐,学会每年遴选英国及国际上在物理学科学研究领域取得杰出成就和为推动物理学科学发展作出卓越贡献的科学家为其会士。近日,我们采访了英国物理学会会士、华中科技大学刘世元教授,让我们一起来看看他对成为会士以及领域发展的见解吧。 >>点击此处链接,订阅IOP出版社最新资讯。 访谈详情 1. 成为英国物理学会会士对您来说意味着什么?英国物理学会是全球物理领域最具影响力的重要学术组织之一,成为英国物理学会会士是一份巨大的荣誉,意味着我做的工作得到了物理学及相关领域国际同行的高度认可;同时对我个人而言也是一种巨大的责任,将激励我以更广的视野和更高的角度,做更多的工作,以推动物理学在科研、教育、产业等多维领域的发展,进而在推动物理学科进步、人才培养、科学传播等方面有所作为。   2. 您目前从事的研究工作有哪些? 目前,我主要从事偏振光学与纳米测量方面的基础理论与应用研究,如先进穆勒矩阵椭偏仪研制与应用、计算成像与计算光刻、半导体制造测量与检测等。   3. 您为什么选择从事相关的领域研究? 我博士学位论文从事的是传统机械工程方面的研究,机缘巧合之下,二十年前我参加了光刻机设备的研发,由此开始对物理光学产生了兴趣。尤其是我注意到光的四个基本特征中,光的偏振特性相对振幅、相位、频率(光谱)而言,在实际应用中相对要少很多。于是考虑是否能够充分利用光的这一特性做一些新的研究,特别是将偏振、散射、光谱等特性相融合,并结合逆问题优化求解方法,实现基于模型的纳米结构偏振散射计算测量。   4. 您能分享一个职业生涯中最令您自豪的项目或成就吗? 到目前为止,我个人觉得最有意义的一项研究是高精度宽光谱穆勒矩阵椭偏仪研制及纳米测量应用方面的工作。我们在关键偏振器件设计原理、仪器误差分析与系统参数标定方法、纳米结构椭偏散射计算测量理论与方法等方面做了大量的工作,研制出测量精度国际领先的宽光谱穆勒矩阵椭偏仪。利用自制的仪器,我们一方面开展了一系列应用基础研究,揭示了很多有趣的物理新现象,另一方面,我们支撑了成果转化,实现了仪器装备产品批量销售,让我们的相关研究成果真正走上了半导体制造产线,实现了支撑基础科学研究、解决行业重大问题、提升工业产值效益三个环节的闭环。虽然付出了十余年的坚持和努力,但是十分值得   5. 您认为接下来五年该领域的研究重点将会是什么? 这个问题很大,纳米制造特别是半导体制造已经逼近2nm技术节点,已步入原子级制造时代,其制造过程的测量与检测问题将面临更为严苛的挑战。我个人认为,面向原子级制造过程的在线测量检测技术的研究方向和重点,将是基于极短波长的无透镜计算成像、计算测量、计算检测,即采用极紫外、X射线等极短波长光源,通过非相干散射等手段,实现原子级结构非破坏、高精度测量,或通过相干衍射、叠层衍射等手段实现无透镜成像,进而实现原子级缺陷高效、高灵敏检测。   6. 您对该领域的青年科研人员有什么建议? 我个人觉得,在科研工作中,好奇心和求知欲是最本质的驱动力,把不懂的东西搞懂,把困扰大家的问题解决才是研究的本质目的,明确这一科研目标是保持创新信心和对自己工作期待的关键,只有保持这份初心,才能在研究工作遭遇挫折时,直面资源支持不足、评价体系压力、激烈竞争等方面的挑战。其次,在学术生涯初期一定要善于规划,结合自己的特点与长处,选择适合自己的赛道,基础研究、应用研究和技术转化往往对研究者有着不同的要求与评价体系,要学会将远大目标分解为一个个可实现的小目标,合理地建立和调整预期。第三,坚持很重要,挫折在所难免,一项工作的成败不代表一个人的成败,科研是一份需要坚持不懈和终身学习的工作,要有脱离舒适区、接受新知识、并在某一领域持续坚持的勇气和决心。最后,要有良好的合作精神,包括与导师及资深科研人员的合作、与学生的合作、与同为青年科研人员的合作,在思想的碰撞与交流中不断学习和成长。 会士介绍 刘世元  教授 华中科技大学 刘世元教授是华中科技大学集成电路测量装备研究中心主任,国家杰出青年科学基金获得者,国家科技创新领军人才,英国物理学会(IOP)会士,国际测量与仪器委员会(ICMI)委员,中国仪器仪表学会集成电路测量与仪器分会主任委员。主要研究方向为计算成像与计算光刻、纳米光学测量技术与仪器、半导体制造在线测量检测技术与装备等。主持国家自然科学基金(7项,包括杰青、重大仪器、重点项目)、国家重大仪器专项、国家科技重大专项等20余项,发表SCI论文250余篇,获授权发明专利100余件,获湖北省技术发明一等奖、中国仪器仪表学会技术发明一等奖等科技奖励。