PRL：非线性动力学系统中的隐藏多稳态

近日，西安邮电大学理学院毕梦侠博士和樊华伟博士，同南京邮电大学颜晓红教授，以及美国亚利桑那州立大学来颖诚教授合作，在非线性领域取得重要进展，报道了非线性动力学系统中的隐藏多稳态，相关研究成果以“Folding State within a Hysteresis Loop: Hidden Multistability in Nonlinear Physical Systems”为题发表在物理学顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters, PRL)。PRL是美国物理学会主办的著名学术期刊，主要发表原创性强、有广泛物理兴趣的研究成果。

双稳态和磁滞回线是非线性科学领域中普遍存在的现象，不仅在物理学中出现，还广泛渗透于化学和生物学等多个学科领域。在研究这些双稳态应用的过程中，学者们往往基于一个前提：系统仅存在两个稳定的状态。然而，这种前提可能忽略了一个关键因素，那就是潜在的第三个“隐藏”稳态的可能性。如果这个未被察觉的稳态真的存在，当相关设备在真实环境中运行时，特别是在那些充斥着各种噪声和干扰的现实场景中，这种隐藏的稳态可能会由于噪声的“诱导”作用而被触发。在这种情况下，设备的性能可能会大打折扣，甚至可能引发灾难性的错误或故障。我们不禁要问，自然界中的复杂系统是否也会遇到类似的挑战？如果确实如此，那么我们对于系统的稳定性和可靠性的理解就需要重新审视。在设计和实施各种技术系统时，我们必须更加审慎地进行实验测试，以充分评估隐藏稳态存在的风险。只有这样，我们才能确保所设计和构建的系统能在各种复杂环境中稳定、可靠地运行，避免潜在的性能下降或灾难性错误的发生。这不仅是一个科学问题，更是一个关乎安全和效率的重要实际问题。

为了深入探索非线性动力学系统中的隐藏现象，文章精心设计了一个非线性二元微波腔与磁振子的混合系统。该系统在双稳态的磁滞回线中藏匿了一个稳定态，即隐藏态。值得注意的是，这个隐藏态无法通过常规的参数扫描模拟实验来发现，这增加了其神秘性和研究的挑战性。由这种隐藏态所导致的非线性行为，被称之为“隐藏多稳态”。为了揭示这一隐藏态，文章中提出了一种简单可行的实验方案，该方案依赖于矩形脉冲控制信号来进行精确的检测。通过深入研究，发现隐藏多稳态并非孤例。在对非线性三元微波腔—磁振子混合系统以及基因调控网络的探索中，也观察到了这种隐藏多稳态的存在，这表明它在各种非线性动力学系统中具有普遍性。更重要的是，隐藏态在磁滞回线内部的产生可能是一个渐变的过程，在常规的模拟实验观测中，这一过程并不显露出任何明显的预兆。因此，研究人员很容易误将系统识别为普通的双稳态，从而忽略了隐藏态的存在。