作为非平衡态复杂体系，颗粒气体与分子气体体系最大的不同在于颗粒间由于非弹性碰撞，可能形成团簇，而不是均匀分布。在振动驱动下，颗粒可以在以窗口连接的两个分隔容器中自发地聚集到其中一个容器里，形象地被称为“麦克斯韦妖”现象。近年，当在分隔容器中加入二元混合颗粒时，在特定的驱动条件下，可以观察到颗粒布居在两容器中周期地来回振荡，有如一个颗粒“时钟”。Eggers以体系内颗粒动能的平均值所定义的颗粒温度，利用流体力学方程组给出了颗粒气体“麦克斯韦妖”现象的理论模型与数值模拟。对于二元混合颗粒体系的“颗粒时钟”现象却一直没有很好的物理解释。

 

最近，中科院物理所厚美瑛研究员，陆坤权研究员及学生与台湾“中央研究院”物理所和台湾“中央大学”陈志强研究员和黎壁贤教授合作，实验测量了振荡的周期和振幅与驱动速度的关系，得到了均匀分布，周期振荡和自发聚集三个相区的临界驱动速度，并将二元混合颗粒体系两种颗粒碰撞的不对称性考虑到颗粒温度模型中，定性地得到了与实验观察相符的三个相区，很好的解释了振荡机理。由实验测得的“时钟”振荡振幅在均匀分布区到周期振荡区的临界速度附近满足(vc - v)1/2关系，表明此一转变为一Hopf分叉。这种温度论据可以用于解释其他颗粒“蒸发-冷凝”过程，如振动驱动时颗粒床的斜堆现象等。相关的结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters） 100, 068001 (2008)上。

 

这项研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院创新工程项目的支持。（来源：中国科学院物理研究所）