活性粒子集体中的信息与运动性交换

我们考察了 run-and-tumble 活性粒子模型中运动性与信息交换的相互作用，其中粒子的运动性被编码为一位信息，可在接触时依据电路中 AND 和 OR 逻辑门规则进行交换。运动的 AND 粒子在与非运动粒子接触时变为非运动。相反，运动的 OR 粒子在与非运动对应物碰撞时保持运动。已变为非运动的 AND 粒子另以固定速率 $\mu$ “重新苏醒”，即恢复其运动性，如同传染病传播的 SIS（易感、感染、易感）模型，其中感染个体可再次变为健康，但不保留近期感染记忆，因此易再次感染。对于 $\mu=0$，AND 与 OR 粒子分别不可逆地弛豫至全非运动或全运动粒子的吸收态。然而，OR 粒子在整个过程中保持活跃，其弛豫动力学更快。在有限 $\mu$ 下，AND 动力学由重新苏醒速率与碰撞速率的相互作用控制。系统在 $\mu>\mu_c$ 时演化为全运动粒子态（吸收相变语言中的吸收态），在 $\mu<\mu_c$ 时演化为运动与非运动粒子共存的混合态（吸收相变语言中的活跃态）。最终态展现出由运动性诱导聚集所控制的丰富结构。我们的工作可能与运动细菌中的生化信号传导、传染病与社会共识的传播，以及光控活性胶体的组织相关。