复杂网络上的爆炸式同步

耦合振子系统的同步是统计物理和复杂系统研究的重要领域之一.过去几十年的研究表明,该系统中绝大多数同步化相变都是连续相变(二级相变),即序参量通过相变点后连续增长.但是最近发现在某些耦合振子系统中,同步可以表现为爆炸式(一级相变).其特征为序参量通过相变点后出现突然的跃变,并且随耦合强度变化,向前和向后的相变过程不可逆,存在磁滞区.由于爆炸式同步化与连续相变同步化有着本质上的不同,所以这一发现开拓了新方向,具有十分重要的意义.本文综述了这一方向目前的重要成果,主要包括频率和度关联振子系统的爆炸式同步、频率权重Kuramoto模型中的爆炸式同步、拥护者和反对者耦合网络中的爆炸式同步、多层网络上的爆炸式同步,以及爆炸式同步的形成机制和实验验证等.这些工作不仅极大地加深了我们对于复杂系统同步化的认识,促进同步理论的发展,而且能够为将来在相关领域的应用打下基础.     

多组分玻色-约瑟夫森结中的部分测度同步

研究了耦合多组分(N2)玻色约瑟夫森结中的集体运动行为,发现分别有部分测度同步及完全测度同步的动力学相变行为发生,用序参量描述了其相变特性,并使用庞加莱截面的分析方法揭示了部分测度同步发生的动力学机制,发现部分测度同步也是由分界线的穿越行为所导致的.     

耦合Morse振子中测度同步的研究

研究了两耦合Morse振子的集体运动行为,研究表明当增大振子间的耦合强度时会出现测度同步现象.单个Moser振子能量随耦合强度的变化显示测度同步实际对应着分离到混合的转变.在这一转变过程中,确定了耦合Moser振子测度同步转变的临界指数率.而进一步研究振子的相位差随振子间耦合强度变化的关系,发现可以通过耦合振子的相锁定引入序参量用来表征这其中测度同步的相变.     

对次近邻单向耦合振子的同步研究

【目的】在Kuramoto局域耦合振子平均场模型基础上,探讨在非对称耦合作用下一维闭合环上次近邻Kuramoto相振子的同步动力学行为。【方法】在最近邻单向耦合振子的动力学模型的基础上,建立次近邻单向耦合振子的动力学模型来研究少数耦合极限环系统的行为;通过数值模拟,得出平均频率、系统序参量与耦合强度的关系;通过理论分析少体系统的动力学稳定性。【结果】通过比较文献,证明次近邻单向耦合振子对同步存在影响。当在少数耦合极限环系统下(N≤6),耦合强度大于一定阈值时,所有振子都被同步到平均频率上,序参量随耦合强度的增加而趋于1,而在振子较多(N6)时,在系统同步区域的序参量会出现多定态分支。【结论】一维闭合环上考虑次近邻耦合振子在非对称耦合作用下同步区域呈现多同步定态。非零稳态出现分支现象与耦合振子系统大小有关。     

规则网络中流耦合作用对爆发式同步的影响

耦合振子系统的爆发式同步是许多生物系统自组织动力学行为的内在机制之一,因而倍受关注.考虑到现实生活中许多振子之间的相互作用是非对称性的,通过理论分析和数值计算方法,详细研究了规则网络中,流耦合作用对耦合相振子系统爆发式同步动力学行为的影响.结果表明,非对称的流耦合作用,在具有特定频率空间分布的耦合相振子系统中,有利于促进耦合相振子系统产生爆发式同步.耦合系统达到爆发式同步所需的临界耦合强度与流耦合强度成线性关系.此外,在同步区间可观察到集中锁相和分散锁相两种同步形式共存.通过理论分析,给出了流耦合作用对促进耦合相振子系统爆发式同步的内在机制.研究结果可以为更好地理解非对称耦合作用下耦合相振子系统的自组织现象提供理论支持.     

领导者驱动下频率权重耦合复杂系统的同步

大量振子相互耦合后形成的复杂系统广泛存在于现实世界中.复杂系统不仅经耦合作用形成自发的同步,还常常受到外界的影响而表现出复杂的动力学行为.研究了当振子受到外界领导者节点的驱动时系统的同步这一重要的集体动力学行为;给出了Kuramoto振子组成的频率权重耦合的系统在受外界领导者驱动时,系统转变为驱动同步的条件.被驱动的振子的数量和振子的频率权重会影响系统转变为驱动同步的难易度.数值模拟结果证明了该成果的正确性.     

二维耦合Rossler振子系统在弱耦合下的动力学行为

以Rossler振子为例,讨论了二维耦合混沌振子系统在最近邻耦合作用下的动力学行为,发现在极弱耦合作用下,高维的超混沌态可转变为周期的广义的伸展态,这种自组织行为是由于单个振混沌特性和振子之间的共振作用所产生的。     

二维极限环振子系统的最近邻耦合

在考虑振子振幅变化的情况下，二维极限环振子系统的最近邻耦合与一维系统的最近邻耦合得到了比较相似一些结果。对于有限的振子数的系统，振子同步的过程呈现同步分岔树，对于大振子数的系统，振子很能难达到同步，就表现为振子振幅的死亡。     

几种Kuramoto振子网络同步性能的比较

本文采用Kuramoto相位振子作为网络节点进行同步研究.以序参量作为同步性能的描述指标,首先仿真研究了BA无标度网络中控制增益对同步性能的影响,得出了网络实现全局同步的临界耦合强度.然后比较研究了ER随机网络、NW小世界网络和BA无标度网络几种不同网络结构下的Kuramoto振子系统的同步性能,研究表明BA无标度网络...     

4团簇奇异态的移动特性

奇异态是一种包含同步振子区域和非同步振子区域的时空动力学行为,因其对初始条件的敏感性和"存活时间"较短而难以被捕捉到.在本文中,采用随机的初始条件,合适的耦合范围和相移参数,在非局域相位耦合振子系统中发现了缓慢移动的4团簇奇异态.并且同步团簇的移动速度随着系统尺寸的增加呈指数减小的趋势,最后达到稳定的4团簇奇异态.最后,使用Ott-Antonsen分析方法,再现了移动4团簇奇异态的时空动力学行为.     

耦合Van der Pol-Duffing 振子的动力学分析

非线性耦合Van der Pol-Duffing振子在强共振情形下具有极其复杂的动力学行为，本文利用数值方法研究了各系统参数对振子系统动力学性态的影响，揭示了减幅，增幅，周期，拟周期和弱混沌运动等丰富现象及其变化规律。     

3态Potts模型的普适序参量计算

通过无限矩阵乘积态算法计算了3态Potts模型在横向磁场中的基态普适序参量,发现参数在跨过临界点前后的单个格点普适序参量的行为不同,体现了自发对称性破缺并以此确定系统发生量子相变的临界点.具体计算过程中利用对赝相变点外推,得到本模型系统的临界值λc=0·9991,与解析结论精确值1非常一致.结果表明:一维量子系统在自发对称破缺情形下普适序参量是存在的.     

非局域耦合帐篷映像中的完全同步周期态

研究了非局域耦合帐篷映像中的周期态,通过计算耦合系统的信息熵和同步序参量,发现系统中存在两类周期态,即非同步周期态和完全同步周期态。非同步周期态在空间呈现连续的波型分布,时间上也呈现周期性。其空间周期随着耦合半径的减小而减小,时间周期随系统参数的改变而变化。当完全同步态出现时,系统中各格点的动力学状态同步到单映像的非稳定周期态,这与以往的耦合系统中系统同步于单映像的稳定周期轨道有所不同。这类同步态的出现归因于格点间的动力学耦合,可以模拟神经元间触突耦合的丰富放电行为。     

区域PREE系统演化的非线性特征研究

为了整体把握区域发展的演化特征,建立了区域PREE系统整体演化模型;通过分析各子系统在临界点附近的协同作用机制,得出序参量子系统的演化方程;针对序参量子系统中的扰动因素,在方程中加入扰动项进行随机性分析,解得序参量子系统演化概率分布的定态解;最后,在定态解的基础上,得出序参量子系统广义势函数的表达式及其实际意义.研究结果表明,复杂的区域PREE系统的整体演化轨迹可通过分析其序参量子系统的演化来把握,同时可以从序参量子系统演化概率分布的定态解中得出序参量子系统的广义势函数,这将为定量分析区域PREE系统的稳定性提供依据.     

有限深势阱中自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚的集体动力学

研究了一维有限深势阱中自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚的集体动力学,利用变分法得到了该系统的动力学方程和基态方程.首先,通过基态方程分析了系统基态平面波相和零动量相之间的量子相变,发现有限深势阱能很好地控制基态的相变;其次,对系统的动力学方程进行了线性化并得到了凝聚体集体动力学的解析解,发现自旋-轨道耦合会引起非简谐的集体动力学.当势阱足够弱的时候,凝聚体会逃逸出势阱,相应的集体动力学也会被阻尼.这些结论为操控玻色-爱因斯坦凝聚体的基态相变和动力学特性提供了理论指导.     

奇异态:从复杂网络到时空斑图

复杂网络的相关探索近年来飞速发展,围绕复杂网络的动力学密切联系着物理、生物、电子工程甚至是经济学等众多不同学科中大量不同的现象,其中一些共性行为如同步、相干振荡、传播扩散等集体涌现是交叉研究的热点.一种被称为奇异态(Chimera State)的行为近十年来引起业界的广泛兴趣,它刻画复杂系统虽由相同单元组成,但单元会处于多种完全不同的相干与非相干态在空间的共存行为.本文简要介绍了有关奇异态研究的现象与理论,讨论了基于Kuramoto平均场自洽理论与Ott-Antonson序参量动力学理论的统计和宏观描述,集中讨论了在复杂网络上的奇异态及其稳定性,并对近年来相关的奇异态斑图研究和实验应用等进行了简述.     

网络的平均度对复杂网络上动力学行为的影响

本文考察了网络的平均度对网络上的同步、博弈和传播动力学行为的影响.结果发现,随着平均度的增大,复杂网络会表现出更优的同步能力,在博弈中合作率会显著提升,在传播动力学中传播范围会明显扩大.但平均度对这几种动力学行为的影响强度却是不同的:对于同步来说,平均度比较小时效果更明显；对于博弈来说,合作概率随着平均度的增加线性增加；而对于传播来说,平均度较大时效果较显著.另外,本文还发现一个有趣的现象:度分布异质性很强的无标度网络表现出比预想中强得多的同步能力,尤其是对于耦合矩阵是归一化的拉普拉斯矩阵的情况.本文定量地分析了平均度对网络上的几个重要动力学行为的影响.进一步深化了人们对平均度的影响的认识.     

利用单向驱动非线性耦合Duffing振子检测微弱信号

针对单个Duffing振子检测微弱信号时相变判别计算量大、时间长、不易把握等问题,建立了一个单向驱动非线性耦合Duffing振子系统,根据横向Lyapunov指数分析了系统在混沌态到大尺度周期态时振子间运动轨迹的同步演化特性,提出了利用同步误差来判别相变的新方法。实验仿真表明,在强噪声背景下该耦合系统仍能够正确快速地检测出微弱信号。     

复杂网络上的同步斑图

作为非线性时空系统中特有的现象,动力学斑图受到不同研究领域人们的共同关注.近年来,受网络科学发展的影响,人们对复杂网络中的各种集体动力学行为进行了深入研究,并在此过程中认识到网络结构对网络动力学的重要影响.因时空斑图是众多复杂系统实现其功能的动力学基础,又因复杂网络结构在现实复杂系统中普遍存在,故复杂网络中的斑图行为受到人们的关注.然而,受技术和方法的限制,目前人们对复杂网络中的斑图行为研究甚少.本文以全同混沌振子组成的耦合复杂网络为例,简要介绍了近年来人们在复杂网络同步斑图研究中所取得的一些进展,包括同步斑图的动力学特征、网络对称性对同步斑图的影响、同步斑图的稳定性分析理论以及同步斑图的控制方法等.同时,文中还将围绕现实复杂网络中遇到的一些具体问题,就目前复杂网络同步斑图研究中所存在的问题和面临的挑战进行简单的讨论.     

耦合极限环振子同步的随机阻挫效应

考察了在考虑不同比例的阻挫时,极限环振子耦合系统同步的效应,称为随机阻挫同步效应.极限环振子相互耦合中含有较小比例的阻挫时,振子系统较为容易达到同步.而随着相互耦合中所含阻挫比例的增加,系统达到同步越来越困难.当达到一个较大的值时,同步就不可能达到.