Ett sorl av starar. Frasen lyder som något från litteraturen eller titeln på en arthousefilm. Faktiskt, det är tänkt att beskriva det fenomen som uppstår när hundratals, ibland tusentals, av dessa fåglar flyger i slag, intrikat samordnade mönster genom himlen.

Eller i mer tekniska termer, flockas.

Men fåglar är inte de enda varelserna som flockas. Sådant beteende sker också i mikroskopisk skala, som när bakterier strövar runt i tarmen. Ändå fågel eller bakterier, all flockning har en förutsättning:Enhetens form måste förlängas med ett "huvud" och "svans" för att anpassa sig och flytta med grannar i ett ordnat tillstånd.

Fysiker studerar flockning för att bättre förstå dynamisk organisation i olika skalor, ofta som ett sätt att utöka sin kunskap om det snabbt utvecklande området för aktiv materia. Case in point är en ny analys av en grupp teoretiska fysiker, inklusive Mark Bowick, biträdande chef för UC Santa Barbara's Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP).

Att generalisera standardmodellen för flockrörelse till den svängda ytan på en sfär snarare än det vanliga linjära planet eller platta tredimensionella utrymmet, Bowicks team fann att istället för att sprida sig enhetligt över hela sfären, pilliknande medel ordnar spontant till cirkulära band centrerade på ekvatorn. Teamets resultat visas i journalen Fysisk granskning X .

"Oavsett om det är bakterier som svärmer, celler roaming eller energiförbrukande "pilar" som flyger, dessa system har universella egenskaper oberoende av agenternas exakta storlek och struktur samt deras detaljerade interaktioner, "sade motsvarande författare Bowick, som är ledig från Syracuse University medan han var i sin roll på KITP. "De ordnade tillstånden i dessa system är aldrig helt enhetliga, så fluktuationer i densitet genererar ljud, ungefär på samma sätt som blåsinstrument skapar musik. "

På böjda ytor, laget, som inkluderar KITP:s generalmedlem Cristina Marchetti och KITP -doktorand Suraj Shankar, hittade "speciella" ljudlägen som inte försvinner och flyter runt hinder. Enligt Bowick, dessa speciella lägen motsvarar speciella övertoner eller toner som inte blandas med alla andra övertoner.

Han noterade också att dessa lägen är speciella just för att ekvatorns bandgeometri skiljer sig mycket från den plana geometrin på en plan yta. Till exempel, en partikel som rör sig på en ring kommer tillbaka till sin utgångspunkt trots att den rör sig längs en "rak" väg. Detta händer inte på ett plan, där enheter fortsätter för alltid i en rak linje, att aldrig återvända, om de inte stöter på en kant. Denna egenskap är en direkt följd av den mycket olika topologin i sfären och planet.

"Även om en sfär i sig inte har någon kant, de svärmande mönstren har en kant - bandets kant, "Sa Bowick." Så enkelt genom att lokalt konsumera energi, aktiva medel på sfären svärm spontant och skapar en kant. "

Författarna analyserade också en annan krökt form, en timglasformad figur som kallas en katenoid. Till skillnad från en sfär där parallella linjer konvergerar, catenoidens konkava krökning orsakar paralleller att avvika. Denna motsatta krökning driver de flockande enheterna och tillhörande ljudvågor till timglasets övre och nedre kanter, lämnar mitten naken - motsatsen till vad som händer på en sfär.

"Bara det faktum att dessa system flockar är ganska anmärkningsvärt eftersom de dynamiskt genererar rörelse, "sade Shankar, en doktorand i programmet mjukvara vid Syracuse Universitys fysikavdelning. "Men de är mycket rikare system än vi förväntat oss eftersom de också genererar dessa" topologiskt skyddade "ljudlägen."