近日，南方科技大学复杂流动及软物质研究中心、物理系马晓光课题组在软凝聚态物理领域取得新进展。团队在人造胶体伊辛晶格中首次发现普适的信息熵—弛豫动力学标度规律，相关结果以 Scaling of Relaxation and Entropy in Buckled Colloidal Monolayers 为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）并获评编辑推荐（Editors' Suggestion）。

复杂系统中的结构—演化关系是凝聚态物理与统计物理的核心问题。在溶液、熔融合金、高分子聚合物等由原子分子组成的复杂流体中，原子结构熵与黏度、扩散率、弛豫时间等输运系数存在普适的指数标度关系，被用来预测系统的响应与长时间演化等行为。自旋耦合网络代表了有别于原子体系的另一类复杂系统；它是软磁材料、深度神经网络、电力网络、海洋与大气的简化物理模型。对自旋复杂系统，熵标度律能否预测系统演化在理论与实验上均无定论。厘清该问题可助力新型磁材料设计、脑神经建模、提升 AI 可解释性、预测气候变化。

针对这一目标，团队设计了可精准调控的介观人造自旋实验模型，以此开展自旋系统的结构—演化关系研究。实验利用数百个激光镊子将尺寸仅为发丝百分之一（1微米）的乳胶微球排布成二维阵列。微球在周边粒子挤压下具备两种屈曲状态，在光学显微镜中呈现出明、暗差异（图1a）；在热涨落下微球可在两态间跃迁。理论计算证明微球与伊辛自旋具有等效关系（图1b），因此该微球系统可作为理想的人造伊辛模型模拟基于自旋耦合网络的复杂系统行为。

图 1：人造胶体自旋晶格照片（a）与对应的伊辛自旋结构（b）。

  依托人造胶体自旋的高度可控性，实验通过改变自旋系统的体应变、剪应变、粒子互作用，观测不同热力学变换条件下自旋结构与自旋跃迁时间之间的关系。

图 2：自旋信息熵 S_em 与跃迁时间 τ_α 服从指数标度律（数据来自晶格压缩实验）。

实验采用本征微观态香农熵S_em（也叫信息熵）衡量自旋结构的无序程度，利用自旋跃迁时间τ_α衡量自旋结构演化快慢。所有结果表明，自旋结构无序度与自旋演化时间严格遵循 τ_α ∝ exp (c S_em) 指数关系（图 2），系数c反映了系统在不同热力学条件下独特的微观有序机制。这一发现首次把熵标度理论框架拓展到自旋系统，该结构—演化关系可用于评估任意基于自旋模型的复杂系统。这一发现不仅为理解自旋玻璃、智能材料提供了可量化的设计准则，也为脑神经网络、AI 模型、气候与海洋等复杂系统的状态演化机制提供新的理论工具。

南科大物理系 22 级博士生张永明为论文第一作者，物理系 22 级本科生屈清宇为第二作者，马晓光助理教授是论文通讯作者，南科大是论文第一单位。香港浸会大学物理系唐乾元助理教授为论文合作者。该研究得到科技部重点研发专项与国家自然科学基金等支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/jvzh-lwbh