相互依存的超导网络

2010年，Shlomo Havlin教授及其合作者在《自然》杂志上发表了一篇文章，提出导致著名的2003年意大利停电的突然停电是两个网络相互依赖的结果。根据哈夫林的理论，电力网络与其通信系统之间的依赖性导致了级联故障和突然崩溃。哈夫林的开创性工作点燃了统计物理学中的一个新领域，称为“网络的网络”或“相互依赖的网络”，并为理解和预测网络之间相互作用的影响铺平了道路。

Havlin模型的主要新颖之处在于存在两种类型的链接，它们代表了两种性质不同的相互作用。在网络中，节点之间的链接描述了诸如电力或通信连接之类的连接。另一方面，网络之间的链接描述了依赖关系，其中一个网络中节点的功能取决于另一个网络中节点的功能。通信枢纽需要电力，发电站依赖于通信控制。这种依赖性会导致级联效应，其中一个网络中单个节点的故障可能导致两个网络的突然崩溃。

在过去的十年左右的时间里，以色列巴伊兰大学物理系的哈夫林和其他人将这一概念应用于各种抽象系统，如互联网、道路交通、经济、基础设施等。但作为一名理论家，哈夫林无法在真实的实验物理系统上证明这一假设，因此该理论无法在受控实验中得到证实，也无法在设备类型的应用中实现。

最近，Havlin与他的同事Aviad Frydman教授合作，Aviad Frydman教授是Bar-Ilan物理系的实验学家，专门研究无序系统的电学特性，特别是超导体。超导性是在某些金属中观察到的一种现象，当系统冷却到临界温度以下时，电阻会消失。

受哈夫林理论的启发，弗里德曼的小组开发了一个相互依赖的超导网络的受控系统，这是对意大利停电中相互依赖网络的物理类比。两个超导网络由一层隔开，该层是电绝缘体，但能够在网络之间传递热量，从而创建两种相互作用的系统。在每一层中，电流代表连接链路，而网络之间的热流代表依赖链路，因为它可以破坏超导段。

Havlin和Frydman的合作小组包括实验室经理Ira Volotsenko博士和三名研究生Ivan Bonamassa博士，Bnaya Gross和Maayan Laav。

这两个小组进行的今天(1月<>日)发表在《自然物理学》杂志上的研究表明，虽然随着温度的升高，分离的、非耦合的网络在超导体和正常金属之间表现出平滑、连续的过渡，但耦合系统显示出突然的、不连续的转变，正如该理论所预测的那样。这归因于这样一个事实，即在一层的正常段中流动的电流导致另一层中的叠加段变得更热，从而失去其超导性。层之间的这种热反馈过程以自我传播的方式继续(即，在层之间来回级联)，并最终导致进入金属相的结自发传播雪崩。

这项突破性研究为相互依赖网络理论的表现建立了第一个物理实验室基准，使实验研究能够控制和进一步发展复杂相互依赖材料的多尺度现象。

这项研究在基础物理、材料科学和器件应用等多个学科中具有重大意义。在基础物理学中，科学影响在于发现与相变相关的新物理现象。结果表明，由单一相互作用类型控制的相变，经过100多年的广泛研究，只是由几种类型的相互作用控制的更丰富的一般现象的极限情况。

研究结果还可能导致基于具有不同层间相互作用的耦合层的网络超材料新领域的建立，表现出新颖的物理现象。研究还表明，网络系统的突然崩溃可能是一种理想的现象。如果利用，它可以应用于工程自愈系统或设计高灵敏度开关或传感器，例如用于单光子检测。

虽然网络科学起源于2000年的物理学，但它随后的发展和应用令人惊讶的是，物理学并没有受益，而是几乎所有其他科学和技术领域。本研究重新连接了网络科学和物理学。它首次证明，在研究相互依赖的物理系统时，网络科学开发的新概念可以显着有益于物理学，同时发现新的物理过程，例如新型相变。