Fysiker vid Emory University har visat hur ett system av livlösa partiklar kan bli "livsliknande" genom att kollektivt växla fram och tillbaka mellan kristallina och flytande tillstånd - även när miljön förblir stabil.

Fysiska granskningsbrev nyligen publicerade resultaten, den första experimentella realiseringen av sådan dynamik.

"Vi har upptäckt det kanske enklaste fysiska systemet som konsekvent kan fortsätta att ändra beteende över tid i en fast miljö, säger Justin Burton, Emory biträdande professor i fysik. "Faktiskt, systemet är så enkelt att vi aldrig förväntade oss att se en så komplex egenskap komma ur det."

Många levande system – från eldflugor till neuroner – växlar beteenden kollektivt, skjuta på och sedan stänga av. Den nuvarande tidningen, dock, involverade ett icke-levande system:plastpartiklar, små som dammfläckar, som inte har några "på" eller "av"-knappar.

"De enskilda partiklarna kan inte växla mellan kristallint och flytande tillstånd, "Burton säger. "Omkopplingen uppstår när det finns samlingar av dessa partiklar - faktiskt, så få som 40. Våra resultat tyder på att förmågan för ett system att byta beteenden över vilken tidsskala som helst är mer universell än vad man tidigare trott."

Burton-labbet studerar den lilla, plastpartiklar som modell för mer komplexa system. De kan efterlikna egenskaperna hos verkliga fenomen, såsom smältning av ett fast ämne, och avslöja hur ett system förändras när det drivs av krafter.

Partiklarna suspenderas i en vakuumkammare fylld med en plasmajoniserad argongas. Genom att ändra gastrycket inuti kammaren, labbmedlemmarna kan studera hur partiklarna beter sig när de rör sig mellan en exciterad, fritt flytande tillstånd till ett fastnat, stabil position.

Den aktuella upptäckten inträffade efter att Emory-studenten Guram "Guga" Gogia knackade på en shaker och sakta "salta" partiklarna i vakuumkammaren fylld med plasma, skapar ett enda lager av partiklar som svävar ovanför en laddad elektrod. "Jag var bara nyfiken på hur partiklarna skulle bete sig över tiden om jag ställde in parametrarna för kammaren vid ett lågt gastryck, gör det möjligt för dem att röra sig fritt, " säger Gogia. "Efter några minuter kunde jag se med blotta ögat att de betedde sig konstigt."

Från någonstans mellan tiotals sekunder till minuter, partiklarna skulle byta från att röra sig i låst steg, eller en stel struktur, att vara i ett smält gasliknande tillstånd. Det var överraskande eftersom partiklarna inte bara smälte och omkristalliserades utan gick fram och tillbaka mellan de två tillstånden.

"Föreställ dig om du lämnade en bricka med is på bänken i rumstemperatur, " säger Gogia. "Du skulle inte bli förvånad om den smälte. Men om du höll isen på disken, du skulle bli chockad om det fortsatte att förvandlas till is och smälta igen."

Gogia genomförde experiment för att bekräfta och kvantifiera fenomenet. Fynden skulle kunna fungera som en enkel modell för studiet av framväxande egenskaper i icke-jämviktssystem.

"Switching är en allestädes närvarande del av vår fysiska värld, "Burton säger. "Ingenting förblir i ett stabilt tillstånd länge - från jordens klimat till neuronerna i en mänsklig hjärna. Att förstå hur system byter är en grundläggande fråga inom fysiken. Vår modell tar bort komplexiteten i detta beteende, tillhandahålla de minsta nödvändiga ingredienserna. Det ger en bas, en utgångspunkt, för att hjälpa till att förstå mer komplexa system."