简单玻璃模型中的动力学Gardner转变研究获进展

剖析从流体态到具有刚性的固体态的临界阻塞转变，对探讨无处不在的无序固体的性质至关重要。通过将力学性质抽象为状态的稳定性，阻塞转变的临界性被证明在生命物质、机器学习等领域的复杂系统中普遍存在。这一转变的本质是统计物理和软物质物理的研究热点之一。

近年来，自旋玻璃研究发展的复本对称破缺范式在描述阻塞转变问题上取得了突破性进展。某些结构玻璃中被证明存在从简单到具有分形结构的自由能景观的复本对称破缺相变。该转变被称为Gardner相变，阻塞态被归结为全阶复本对称破缺的Gardner玻璃相的高压/低温极限态。诺贝尔物理学奖获得者Giorgio Parisi等在无限维极限下，得到了硬球玻璃相的热力学精确解，从而定量解释了阻塞转变的临界性。

然而，现实中的无序态多是在非平衡条件下形成的，对比Gardner物理的普遍性，即使在简化的平均场自旋玻璃中仍是尚未解决的问题。此外，在一个系统中取得的非平衡复本破缺问题上的突破有助于推动其他相关复杂系统的研究，动力学复本对称破缺研究因而具有深刻意义。在近日发表于《美国科学院院刊》【PNAS e2218218120 (2023)】的一项研究工作中，中国科学院理论物理研究所与合作者，通过模拟简单的硬碟玻璃模型研究该问题。研究分析了反常动力学并定义了动力学转变。研究根据自由能景观的复杂性首次给出完整的玻璃相图。该研究缩小了非平衡条件下的实验和热力学理论研究之间的距离，为构建普适的动力学玻璃理论铺设了道路。

该工作由理论物理所、中国科学技术大学、法国蒙彼利埃大学合作完成。理论物理所为第一完成单位。部分计算在中国科大超算中心平台完成。研究工作得到国家自然科学基金委员会和中国科学院等的支持。

玻璃相图：自上而下，在增大压强趋于阻塞态（红线）的过程中，系统总是先经历Gardner转变（橘线与浅蓝线）。临界阻塞因此受Gardner物理控制。