PRL 速递：结合两种非平衡范式：驱动玻璃系统中的脆弱老化与稳健老化

关键词：非平衡统计物理，玻璃态系统，老化动力学，马尔可夫过程

论文题目：Bringing Together Two Paradigms of Nonequilibrium: Fragile versus Robust Aging in Driven Glassy Systems
论文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.197101
期刊名称：Physical Review Letters

玻璃态系统的老化现象是非平衡统计物理中的经典问题，其核心在于探究为何系统在远离平衡态后会呈现出动力学性质的缓慢演化。传统研究表明，老化行为广泛存在于玻璃态材料、无序介质、活性物质甚至生物凝聚体中，通常伴随着系统时间相关性的变化和弛豫时间的无界增长。此外，近年来，外界驱动引起的非平衡稳态研究也受到了广泛关注，例如通过机械应力、磁场或自驱动力对系统施加偏置。然而，这两种范式在研究中往往是独立的，对老化系统如何在驱动下表现出动力学特性尚缺乏系统探索。

近日发表于 Physical Review Letters 的一篇文章通过结合路径偏置（trajectory bias）方法和陷阱模型（trap model），将这两大非平衡范式首次统一在一个理论框架下，尝试揭示玻璃态系统老化行为与外界驱动之间的复杂关系。

传统的玻璃态系统由于低温或高密度的限制，会进入一种无法在实际时间尺度内达到平衡的状态，表现出时间依赖的老化特性。而在另一种范式中，通过外界施加的机械应力、磁场或活动性驱动，系统则会达到一种稳态的非平衡状态。近年来，科学家们利用路径偏置的方式研究罕见轨迹的动力学特性，通过改变轨迹分布中的某些观察量，如时间平均流动率，从而将系统从平衡态驱动至非平衡。

文章的核心在于利用陷阱模型这一描述玻璃态缓慢动力学的典型框架，研究外界驱动如何影响老化过程。陷阱模型将复杂的能量景观简化为一系列局部能量极小值与跳跃行为的随机动力学。在未受驱动的情况下，系统的老化特性表现为随着时间推移，关联函数依赖于测量间隔的绝对时间，而不是仅仅依赖于时间差。

作者通过构建时间依赖的马尔可夫过程框架，将受驱动力下的老化动力学映射到具有时间变化转移率的马尔可夫系统，从而有效地分析了驱动对两种经典陷阱模型（Bouchaud 模型和 Barrat-Mezard 模型）老化行为的影响。研究发现，当施加路径偏置后，系统的老化行为呈现出两种模式：脆弱老化，即任何强度的驱动都会摧毁老化行为；以及鲁棒老化，即在驱动强度较小时老化特性依然能够保持。这种分类进一步揭示了老化行为的普适性差异。

通过动力学相图的分析，研究进一步表明，这种差异根源于模型的老化机制：在 Bouchaud 模型和高温 Barrat-Mezard 模型中，老化由能量屏障主导，表现在外界驱动作用下的行为脆弱老化；而在低温 Barrat-Mezard 模型中，老化由熵屏障主导，使得系统即使在驱动下依然能够保持老化特性，表现为鲁棒老化。

此外，作者采用了一种扩展的路径偏置方法，通过计算辅助主算符的谱特性，系统性地量化了系统在不同驱动强度下的动力学行为。这种方法不仅能够解释老化过程中活跃与不活跃相之间的转变，还能从轨迹分布的变化中识别出系统的动力学特征。

研究的意义在于，它不仅为理解玻璃态系统的非平衡特性提供了新的工具，还可能影响未来对玻璃态、超冷液体及其他复杂系统动力学的研究方向。文章进一步提出，通过转换计算结果至未偏置动力学中的活跃性涨落，可以揭示更加丰富的老化动力学特性，从而为实验验证提供依据。

这项工作代表了非平衡物理领域的一项重要进展，通过将驱动和老化两大非平衡动力学范式结合，为未来研究不同老化机制的普适性类提供了坚实基础，同时也为非平衡态分析工具的进一步发展奠定了理论框架。