【今日师大人】登上物理学领域顶刊！我校李炳伟教授团队发现了一种新的奇美拉态

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。

Physical Review Letters（物理评论快报）是美国物理学会主办的物理学顶级学术期刊，主要发表重要的、原创性强、具有广泛物理兴趣的研究成果，并对全球科学社群起着重要的引领作用，其ESI总引用排名长期位于物理学学科第一名。

发现一种新的奇美拉态

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。

研究进一步提出一个唯象模型予以解释，并给出了耦合强度和密度下的靶波奇美拉态存在的相图。此外，本研究在其他模型中也验证了这种自组织靶波奇美拉态的存在。此研究进一步加深了人们对靶波和奇美拉态涌现的理解。

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.）。 

用心教书育人

2009年在浙江大学完成博士学业后，因怀有对母校的深切感情，李炳伟重归杭师大，至今已获国家自然科学基金项目3项，浙江省自然科学基金项目1项；以第一作者或通讯作者在Phys. Rev. Lett.，Phys. Rev. E，J. Chem. Phys. 等国际学术刊物上发表论文二十余篇。

作为一名一直从事物理研究的学者，杭师大理学院四年的本科学习，给李炳伟留下了深刻的烙印。他不仅深耕学术，更在教书育人上极为用心。2016年获浙江省高校第九届青年教师教学技能竞赛优秀奖、校第九届青年教师教学技能比赛二等奖，2019年获校第十二届“教坛新秀”等荣誉。

“我至今记得本科时期上《数学物理方法》时，老师在黑板上写满了整板整板的公式，但眼睛从来都没往书上瞄一下，佩服之情油然而生。正是当时这些老师们的言传身教，学校师范生的技能实践，还有教学楼下摆放的‘学高为师、身正为范’的镜子让我在学术之外，也对身为教师的责任看的很重。”李炳伟说，本科时期师范生的教育，对他产生了潜移默化的影响。呵护学生、拓展课堂、启发思考、崇尚平等、注重交流……师范教育的闪光点，李炳伟都将其进一步丰富内化与展现。

李炳伟长期讲授《普通物理学I》《基础物理学I》《数学物理方法》等核心专业课程，他上课充满激情，学科知识与一些专业内的趣味话题穿插，课堂气氛轻松活跃，有同学这样评价：“上李老师的课，那些抽象的物理概念就像流水一样自然而然进入课堂，深入浅出。就像一个见多识广的旅行家在分享自己的见闻一样，李老师分享着知识点，而且无论内容延伸到何处，主题依然能及时收回来。”

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