导语


自组织临界性出现在脱离平衡的动态复杂系统中，是物理学、地质学和生物学中广泛的经典现象的特征。这篇论文报告了在相干驱动的纳米光子结构的光定位行为中，观察到的量子相干控制的自组织临界转变它与两个一阶相变有关：一个与光子的动力学同步有关，另一个与相干驱动的无反转激光跃迁有关。这样获得的光定位，对耗散、波动和多体相互作用都是稳健的，表现出标度不变的幂律和不需要精细调整的控制参数。在这个非平衡动力学系统中，系统的有效临界“温度”下降到零，从而进入量子自组织临界状态。


关键词：自组织临界，相变，量子相干驱动



论文题目：Quantum coherence–driven self-organized criticality and nonequilibrium light localization
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaq0465



自组织临界性是一个描述非线性过程统计的理论概念。它是宇宙中许多非线性耗散系统所共有的基本原则。在输入率不变的情况下，线性系统的输出随时间线性增长（图1左上），而在非线性系统中，输出是高度不可预测的，与输入率不相关（图1左下）。线性系统的一个实际例子是水电站，其产生的电能与输入的水成正比，如蓄水大坝，而非线性系统的一个经典例子是雪崩。

图1.  线性系统与非线性系统对比。
 
自组织临界涌现在脱离平衡的动态复杂系统中，并成为物理学、地质学和生物学中广泛的经典现象的特征。它是统计物理学和复杂性科学中研究最广泛的概念之一。但直到现在，它还没有在完整的量子体系中被发现，也就是说，还没有发现任何系统进入“量子自组织临界”状态。
 
图2. 设想的相干驱动光子纳米系统。
 
在这个研究中，科研人员分析在相干驱动的纳米光子配置的光定位行为中，观察到的量子相干控制的自组织临界跃迁。实验系统是由相干驱动控制的增益增强的等离子体异质结构组成的，其中接近停光状态的光子在活跃非线性的存在下相互作用，最终使它们的动力学同步。
 
在这样的系统中，基于分析和全波 Maxwell-Bloch 计算，作者研究了由光子同步引起的光定位出现时，量子相干控制自组织临界的涌现。它与两个一阶相变有关：一个与光子的动力学同步有关，另一个与相干驱动的无反转激光跃迁有关。这样获得的光定位，对耗散、波动和多体相互作用是稳健的，表现出标度不变的幂律，以及没有精细调整的控制参数。在这个非平衡动力学系统中，系统的有效临界“温度” 下降到零，从而进入了量子自组织临界状态。
 
研究人员正在进行的最终目标是确定一个合适的系统，允许人们在先进的（自制的）时域计算算法的基础上，进入并研究量子自组织临界状态的全部动力学。
 
总之，这项研究在一个活跃的纳米光子系统中发现了一个量子相干驱动的自组织临界相变。其次，量子相干在自组织系统相变的演化过程中具有明显的优势；即它加速了临界点的到达并提高了秩序参数。从应用的角度来看，它对凝聚态光子学和纳米光子学的大量应用也是有吸引力的。


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