杭州师范大学物理学院李炳伟教授团队在Physical Review Letters（物理评论快报）发表科研论文

近日，物理学院李炳伟教授团队联合比利时根特大学Alexander V. Panfilov教授、鲁汶大学Hans Dierckx教授共同在反应扩散系统中发现了一种新的奇美拉态——自组织靶波奇美拉态。相关成果以“Self-Organized Target Wave Chimeras in Reaction-Diffusion Media”为题，发表于物理学领域权威期刊Physical Review Letters（物理评论快报）。李炳伟教授为论文第一作者，并和Alexander V. Panfilov教授为共同通讯作者。物理学院研究生肖洁，副教授李腾超参与研究。杭州师范大学为论文第一署名单位。

斑马的黑白条纹、海螺的旋转螺纹、植物茎叶的回旋卷曲……大自然中这些丰富多彩的图案是怎么形成的，一直是个令人好奇的问题。科学家对此做过许多推理和实验，并从物理、生物等多学科角度对斑图形成的原因、规律、变化规则等特点进行研究。

在这些瑰丽多彩的斑图中，奇美拉态（Chimera states）以其独特性和在生命科学中的潜在应用吸引了众多学者的目光。在过去的二十多年中，奇美拉态是非线性动力学和复杂系统领域的一个重要发现，它是一种对称性自发破缺形成的同步和非同步共存的时空斑图，因酷似希腊神话中的奇美拉神兽而得名。它的发现颠覆了人们长期以来认为耦合全同振子系统最终将趋于同步或非同步状态的传统观念。然而，业内一个长期的困惑是，靶波是否也存在相应的靶波奇美拉态？

李炳伟教授团队为这一问题提供了肯定的答案，在反应扩散系统中发现了一种新的奇美拉态——自组织靶波奇美拉态。

研究团队在基于布鲁塞尔子与环境耦合的反应扩散系统的计算机模拟中，观察到了自组织靶波奇美拉态的涌现（如图1）。不同于经典靶波，自组织靶波奇美拉态的波源（pacemaker）由一组非同步的振子组成，即呈现出有序波从无序波源产生的现象。该系统中同步波与非同步波源的共存特征，可通过序参量进一步定量描述。除了相位的非同步外，波源区域的振子频率也明显不同于系统其他部分的振子频率，进一步体现了这一奇美拉态的独特动力学特性。

而且研究团队通过分析环境的频率和振幅，发现自组织靶波奇美拉态中的频率基本保持一致，但在波源（非同步区域）处振幅显著低于同步区域（见图2）。

这表明，自组织靶波奇美拉态的涌现可以理解为每个振子接收到相同频率但不同振幅的刺激。波源处之所以处于非同步状态，是因为该区域的振幅不足以维持同步性。利用相约化技术，本研究从理论上给出了临界振幅值并与数值模拟吻合，进一步支持了这一解释。

为了更好深入理解参数对自组织靶波奇美拉态涌现的影响，研究给出了耦合强度和密度下靶波奇美拉态存在的相图，如图3所示。

研究在俄勒冈子（Oregonator）与环境耦合的反应扩散系统中进一步验证了自组织靶波奇美拉的存在，如图4。

论文得到了Physical Review Letters（物理评论快报）审稿人的高度评价，评审意见中提到这个结果为耦合振子奇美拉态的研究补上了另外一块拼图（“such a result will add another piece of the puzzle in the study of chimera patterns in coupled oscillators.）。