複雜系統實驗室

本實驗室成立於 1983 年，利用近世發展之複雜系統、非線性動力學、統計物理等概念，近年來對複雜系統如弱離子化電漿系統、強耦合微粒電漿系統、強耦合微觀多體動力系統、介觀尺度系統、流體、軟物質、生物等系統之基礎物理與應用從事跨領域研究如下：

　

(A) 強耦合微粒電漿微結構與動力行為研究

若將微米左右直徑的微粒置於電漿中則形成所謂微粒電漿系統（dusty plasma）。一個微米尺度微粒於電漿中可載一萬個左右負電子，可懸浮於電漿中，並透過荷電微粒間巨大的庫倫力形成一強耦合之電漿體。若將背景熱擾動降低，懸浮微粒可排列成整齊晶格狀態，稱之為電漿晶格。電漿中形成微粒電漿晶格的理論預測早在1986年由日本學者 Ikezi 完成，然遲遲未見實驗證實。本實驗室於 1993 年領先國際諸研究群，利用電漿技術合成微粒，發展微粒電漿阱，首度使懸浮微粒排列成整齊晶格狀態，並可透過系統控制轉換至液態與氣態。微粒間距約數百微米，可利用光學顯微鏡配合數位影相處理技術，追蹤微粒位置。就凝體物理、統計物理觀點言，可利用此系統，透過直接觀測了解強耦合多體系統微觀結構與動態行為。此項獨特研究為電漿物理研究開創一新子域，連接電漿與凝體物理，造成後續國際微粒電漿研究蓬勃發展。本室近年來以實驗配合電腦模擬進行下列多項先驅研究如下:

1) 首度證實如理論預測微粒在低擾動下可因其斥力整齊排列成如 bcc, fcc, hc, hexagonal cylinder等各型 Wigner 晶格結構，增加系統 rf 功率使晶格熔解成液態乃至氣態。
[Physica A, 205, 183 (1994); Phys. Rev. Lett. 72, 4009 (1994); Science, 272, 1626 (1996)]

2) 進行準二維晶格 (六角柱狀體)固- 液相變時動力行為研究，首度探討自發微渦流(micro-vortex)及缺陷(free dislocation)之產生，運動，交互作用，散射，幻滅，等動力行為。
[Phys. Rev. Lett. 77, 647 (1996); Phys. Rev. Lett. 3073 (1998)]

3) 追蹤粒子軌跡，首度探討液態在不連續狀態下因粒子間交互作用，熱擾動或外加應力下之微觀結構與動力行為。如系統平移秩序與方向秩序性在相變與液態的時空尺度律、缺陷的分佈、系統在逐漸喪失秩序時的異常擴散行為，及其與集體運動之關係，利用缺陷紊流、時空持續度 (persistence) 等概念，探討因外力或熱擾動所造成微觀結構重組之漲落行為。
[Phys. Rev. E 64, 015601 (2001); Phys. Rev. Lett. 89, 155002 (2002); Phys. Rev. Lett. 93, 065003 (2004), Phys. Rev. E 76, 016403 (2007), Contrib. Plasma Phys. 49, 4-5, 215 (2009)]。
4) 設計圓型微粒阱，首度形成一至數十乃至數百顆微粒之強耦合微粒庫倫團，此系統可探討巨觀凝體系統在極小粒子數之極限行為另一方面此系統等同於 J.J. Thomson 於 1904 年所提出之古典原子(葡萄乾模型)系統。此系統中除探討在向心力與庫倫力下所產生之層殼結構與三角晶格結構間之交互競爭並以非線性動力學觀點探討少體系統動力行為。
[Phys. Rev. E. 58 R6947 (1998), Phys. Rev. E, 60, 4743 (1999), Phys. Rev. E 64, 015601 (2001)]

5) 首度探討上述系統在中介尺度狹縫中，因近乎數微粒間距邊界侷限對庫輪液體所誘發的動力遲緩與粒子沿邊界有序排列的層化問題。
[Phys. Rev. Lett. 90, 245004 (2003)]

6) 以雷射光束射入液體中，透過雷射光壓推動微粒，探討在剪力場下多體系統微觀動力行為。設計長方形侷限阱，形成長數十晶格，寬約十晶格長度的長條形二維微粒團，利用此系統模擬在奈米尺度下的液體，探討邊際誘發層化與黏滯係數增加的微觀起源。利用平行但相反方向的雷射束推動其二長邊，模擬在二平行板間極薄的介觀固、液體，發現剪力誘發的剪帶 (shear banding) 與剪薄(shear banding) 現象，及調查其成因。並調制雷射光壓，探討彈力與黏滯力在不連續極限的微觀起源。
[Phys. Rev. E. 64, 016402 (2001), Phys. Rev. Lett. 93, 065003 (2004), Phys. Rev. Lett. 90, 245004 (2003); Phys. Rev. Lett. 93, 220602 (2004), Phys. Rev. Lett. 98, 105002 (2007), Phys. Rev. E. 80, 036401 (2009), Phys. Rev. E, 82 (2010) 041504]

7) 首度實驗證實並探討微粒電漿中垂直離子流所形成2+1 維長鍊狀微粒電漿液體的時空動力行為。
[Phys. Plasmas, 17, 053073 (2010), Phys. Plasmas 18, 033704 (2011), Phys. Rev. E. 85, 026467 (2012)]

8) 首度實驗發現焠冷後微粒電漿微粒超冷液體所展現遵循冪次律的動力遲緩現象並探討其成因。首度發現小晶體結構區塊旋轉所誘發的晶塊裂解、重連為在凝結點附近冷液體在外界熱擾動與外剪力下最基礎的集體動力激發與微結構重組的模態。並可應用此概念瞭解懸而為定的液體晶化時晶塊如何成長的動力程序。亦找出此等微震般結構重組的預警指標。
[Physical Review E. 86, 016405 (2012); Phys. Rev. Lett, 109, 225003 (2012) and Physical Review Focus at http://physics.aps.org/articles/v5/133; Phys. Rev. Lett. 109, 195002 (2012); Phys. Rev. E (Rapid Communication), 90, 050401(R) (2014); Phys. Rev. E (Rapid Communication) 89, 041102(R) (2014)]

9) 首度發現自發性微粒電漿聲波，並利用直接觀測或光散射展開波動乃至紊流（turbulence）中微粒動力行為。
[J. Phys. D. 27, 296 (1993); Physica A, 205, 443 (1994); Science, 272, 1626 (1996); Phys. Rev. E, 62, 5667 (2000); Phys. Rev. E. 62, 5571 (2000)]

10) 首度透過直接追蹤粒子軌跡，及其與微粒密度起伏，建立規律自發微粒電漿聲波中粒子如何透過波-粒子交互作用在位置-速度相空間中的動力圖像。並以此圖像解釋首度觀察到的微粒電漿聲波振幅急速成長至波碎(wave breaking) 的微觀動力成因。
[Phys. Rev. Lett. 100, 185004 (2008); [Phys. Rev. Letts. 103, 245005 (2009)]

11) 首度發現微粒電漿聲波輕度失穩後所展現的缺陷中介紊流波 (defect mediated turbulence)，及其所伴隨成對產生與煙滅且與缺陷位置相合的低粒子密度洞絲(low amplitude hole filaments)。亦首度發現由環繞成對低密度洞絲之相反方向二螺旋波 – 聲渦波 (acoustic vortices) 為輕度失穩波的基礎激發態，並指出相鄰術個波面的有限破裂及其與後續波面的重連，為上述透過自發對稱破缺形成對偶聲渦波的主因。
[Phys. Plasmas, 20, 083703 (2013); Phys. Rev. E. 90, 013106 (2014)]

12) 首度探討高功率脈衝雷射直接聚焦於懸浮微粒庫倫團中央所引發的庫倫團爆炸行為。雷射誘發的高密度電漿經推擠外圍懸浮微粒形成三度空間孤立子，或稱電漿微泡，其在背景離子流牽引下往下移動並在其後產生尾波。研究微泡形成之初始動力行為，形成穩定後的動力行為，及數個電漿微泡間的交互作用。
[Phys. Rev. Lett. 90, 075004 (2003); Appl. Phys. Lett. 89, 101503 (2006); Phys. Plasmas, 16, 063702 (2009)]

13) 首度實驗證實三維非穩微粒電漿密度波中超高振幅突發性的突波存在，並發現突波出現前伴隨高密度的拓樸缺陷，而缺陷附近扭曲波面所造成的三維粒子聚焦，為形成高振幅突波的主因。
[Phys. Plasmas. 22, 013701 (2015); Nature Physics, 12, 573 (2016); Plasma Phys. Control. Fusion, 59, 054006 (2017)]

14) 透過高維度 Hilbert-Huang Transformation 經驗模態拆解有連續波譜的微粒電漿聲紊波，首度發現環繞在低粒子密度洞絲之多尺度聲渦波，這些多尺度聲渦可類比成水流紊流中的多尺度漩渦，並作為構架聲波紊流裡之基礎激發態。其多尺度聲渦波的同尺度自發對偶生滅、跨尺度纏結和同步旋轉為聲紊波中的基本動力行為。
[Phys. Rev. Lett. 120, 135004 (2018)]

15) 首度實驗證實在凝固點附近冷微粒電漿液體，可將熱聲子視為微觀聲紊波，發現各尺度模態在時空中形成自我相似 coherent 團簇結構，其大小遵循冪次分布的尺度律；並開展探討諸模態的時空動力行為，及其與粒子運動、局域結構重整的關聯。
[Phys. Rev. Letts 123 065002 (2019)]

16) 成功發展三維微粒軌跡追蹤技術，發現三維微粒電漿液體焠冷後，受到底部平直邊界的影響，展現由底部成長的層狀結構，並發現層狀與不規則液體結構交界面蘊含多尺度自我相似空間與時間擾動，各層中粒子展現具長尺度方向性 Hexatic phase 的二維粒子排列結構(即具有少數 dislocation defects 的三角晶格結構)，層化區間內展現不同大小的 FCC、BCC、HCP 三維結構，相鄰不同層中的不同二維小晶塊旋轉，會造成層間滑動、進而誘發上述三維結構間的互相轉換。
[Phys. Rev. Lett. 124 165001 (2020)]

17) 首度成功證實微粒電漿聲波在離子風強度增加下，由規則平行波至紊波的相轉換，亦遵循非平衡統計物理 percolation transition 的普世規則，開啟由percolating transition 觀點探討非線性波動中wave turbulence transition 研究。
[Phys. Plasmas 27 010703 (2020)]

(B) 軟物質或生物系統集體動力行為研究

軟物質與生物材料研究為近世快速發展的典型複雜系統研究，本實驗室結合近年來所建立的非線性多體微動力複雜系統之基礎物理概念、顯微影像觀測追蹤技術活體解剖與細胞培養等技術，進行研究如下：

1) 利用聚焦高功率脈衝雷射於液體薄膜產生氣泡，透過此氣泡的瞬間膨脹探討其對於鄰近另一氣泡間的交互作用，與氣泡之後續裂解行為。
[Phys. Rev. Lett. 96, 034505 (2006), Phys. Rev. E 77, 026304] (2008)]

2) 大白鼠腦神經細胞間的複雜網路、同步與非同步發火之集體動力行為之實驗與數值模擬研究。
[Chinese J. Phys, 46, 217 (2008), J. Phys. Soc. Jpn. 77, 084803 (2008)]。

3) 自驅動粒子（如大腸桿菌）所展現的微尺度紊流行為與首度發現透過加入微量長距離強耦合被動粒子可有效壓制上述系統所展現的紊流。
[Phys. Rev. E.86, 011924 (2012); Phys. Rev. E, 88, 033004 (2013); Phys. Rev. E 91, 030302(R) (2015)]

4) 首度實驗發現少量癌細胞入侵到緻密單層血管內皮細胞後，癌細胞團簇後展現紊流般的集體運動行為，團簇尺度的增加可增強紊流強度。
[Phys. Rev. Lett. 121 018101 (2018)]

5) 非線性法拉第波因外在上下震動之驅動震幅增加而失穩後， 在時空上激發不穩定突波，利用波與粒子交互作用的觀點解釋突波周圍波形特性，進而找出預警雙指標。
[Phys. Rev. Fluids 3 064401 (2018)]

6) 首度發現上述二元細胞單層膜，由初始低細胞密度，透過細胞增生緻密化的過程中，二元細胞可透過其細胞間的排擠、合作、競爭，聚合成多尺度團簇，及團簇邊界展現多重尺度碎形結構與運動，並清楚建構其微觀物理圖像。
[Phys. Rev. Research 3, L032050 (2021)]