古天乐太阳娱乐集团tyc493有限公司官网的大学副教授未知小林茨城大学理工学院教授中川直子和京都大学笹真一教授通过大规模、精密的数值计算证明，在平衡状态（*1）下不稳定的过冷和过热状态可以通过热流而稳定存在。这一结果是世界上第一个证明“全局热力学”（*2）——一门研究受热流影响的材料特性的新学科——的正确性的证明。预计这将导致开发利用热流控制材料性能的方法。
该研究成果于2023年6月16日发表在美国国际期刊Physical Review Letters上，并被选为编辑建议。

[研究背景]
即使在100°C以上，水仍处于液态水而不变成水蒸气的状态称为过热状态，而即使低于0°C，水仍处于液态水而不变成冰的状态称为过冷状态。例如，在微波炉中将水加热几分钟会导致过热。或者，将矿泉水在冰箱中冷冻几个小时以实现过冷。这些条件极其不稳定，因此即使是最轻微的刺激也会导致它们立即沸腾或冻结。是否能够有效控制这些状态并使其稳定存在？本研究是从这些问题开始的。

物质根据其不同的性质而具有宏观相，例如固体、液体和气体。例如，1个大气压的水在低于0°C的温度下变成固态冰，在高于100°C的温度下变成气态水蒸气。以这种方式发生相变的温度称为转变温度。在温度恒定的平衡状态（*1）下，如图1（左）所示，水和水蒸气只能在转变温度（即1个大气压下的100°C）共存。这一约束可以通过平衡热力学和平衡统计力学来解释，它们描述了温度均匀的物质的性质。另一方面，当温度不均匀且存在热从高温流向低温等宏观流动时，不同相的共存存在哪些约束尚不清楚。例如，如图1（右）所示，当上侧加热到100℃以上形成水蒸气，下侧冷却到100℃以下形成水时，气液边界（界面）处的温度为100℃。目前还没有报道对此进行实验验证。此外，从理论上研究这种非平衡态（non-equilibrium states）极其困难，被誉为现代物理学的难题之一。

（图1：1 atm 100°C 下的水导致气体和液体共存（左）以及热量流动时气体和液体共存（右））

[研究内容/结果]
在这项研究中，在进行数值实验之前，古天乐太阳娱乐集团tyc493有限公司官网设计了“Hamilton-Potts 模型”作为基于分子水平微观运动的模拟模型。
首先，古天乐太阳娱乐集团tyc493有限公司官网创建了顶部无序相和底部有序相的共存状态，并确定了没有热量流动的平衡状态下的转变温度。接下来，如图2（左）所示，古天乐太阳娱乐集团tyc493有限公司官网创建了热量从顶部流向底部的相共存状态，并测量了界面的位置和温度。结果如图2（右）所示。在界面位置0处，界面位于底部，整个表面充满无序相。在界面位置1处，界面位于顶部，整体为有序相。蓝色虚线是温度均匀、没有热流的平衡状态下的转变温度，无论界面位置如何，它都是恒定的。 ▼标记为热量流动时的界面温度，可以看出，随着界面位置接近整体的中心，它变得高于平衡状态下的转变温度。

（图 2：Hamilton-Potts 模型的图像（左）。界面温度与界面位置的关系图（右）。热流系统的模拟结果（▼ 标记）和基于全局热力学的理论值（● 标记）。蓝色虚线是没有热流的平衡状态下的转变温度。插图：模拟结果与热流之间差异的热流依赖性 界面位置为05时的理论值)

界面温度高于平衡态转变温度这一事实意味着界面附近稳定存在过热有序态。在温度均匀的平衡状态下，过热的有序状态最终消失并转变为无序状态。这是世界上首次观察到这种不稳定状态在热流下稳定存在。

全局热力学是一门讨论非平衡态的新学科，可以在线性响应范围内定量预测热流存在下的界面温度（*3）。图2（右）中的●标记是预测的界面温度相对于界面位置的全局热力学值，与Hamilton-Potts模型模拟结果吻合较好。在图表中心观察到的偏差是由于热流大小方面超出线性响应的非线性响应造成的，如插图所示。换句话说，发现在热流的线性响应范围内，两者完全一致。这一结果是世界上第一个证明，过热状态的稳定是由微观物理基本定律证明的，否则在平衡状态下会不稳定。此外，在本次模拟中，过热状态变得稳定，但全局热力学也预测在其他条件下也可以稳定实现过冷状态。

小林副教授说：“虽然这是一次极其困难的模拟，花费了数年时间，但古天乐太阳娱乐集团tyc493有限公司官网还是获得了非常令人满意的结果，古天乐太阳娱乐集团tyc493有限公司官网仅从微观物理定律得出了宏观尺度上真正令人惊奇的现象。对非平衡态的研究非常广泛，但我想确定我需要做什么和我能做什么，并为这一领域的进一步发展做出贡献。 场地。''

[原始论文信息]
标题：哈密顿波茨模型中热通量控制亚稳态
（Hamilton-Potts 模型中热流控制亚稳态）

作者：小林道和、中川直子和笹真一

发表于：物理评论快报

古天乐太阳娱乐集团tyc493有限公司官网日期：2023 年 6 月 16 日

DOI：https://doiorg/101103/PhysRevLett130247102

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[术语]
*1)平衡状态
足够长的时间过去了，没有任何外部操作，从宏观角度来看，一切都没有改变。平衡可以仅使用温度、压力和密度等少数因素来描述。研究平衡状态的科学是平衡热力学和平衡统计力学。

*2)全局热力学
使用全局定义的量将热力学形式主义扩展到空间不均匀非平衡态的框架。可以描述热流下的相共存状态。

*3)线性响应
由于弱外场（在本例中为热流）的影响，平衡状态变为非平衡状态时对外场的响应。当外场较弱时，响应与外场成正比，称为线性响应。当外场变强时，响应不再与外场成正比，变成非线性响应。

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