PRL导读-2019年122卷10期

序

言

本着服务于中国物理学者和物理专业研究生的宗旨，我们根据PRL摘要和引言对本期部分文章进行中文导读。由于水平有限，不免出现一些不准确的地方乃至错译的地方。公众号下方有留言功能，欢迎专家学者通过留言指出不准确或错译的地方，共同提高公众号的服务质量。留言经编辑确认后，会显示在文章下方，供后来浏览者参考。

普通物理：统计与量子物理

责编：艾清

熵的能量 - 时间不确定关系

能量-时间不确定性在量子力学基础和量子技术中起着重要作用，量子力学的创始人们也曾讨论过这一问题。然而，标准方法（例如，罗伯逊的不确定性关系）不能用于能量 - 时间不确定性，因为通常没有与时间相关的厄米算子。按照以前的方法，Coles等人通过从量子钟读取时间的准确程度来度量时间不确定性。然后，作者们使用熵来度量量子钟在各种时间状态的信息理论上的可分辨性。本文的主要结果是一个对于一般含时哈密顿量的熵能量-时间不确定关系。文中对这一关系在离散时间和连续时间情况都有说明。作者们给出的这一不确定性关系很强，因为它允许用量子记忆来减少不确定性，这种表述使作者们将其重新解释为对不对称相对熵的约束。由于熵的操作相关性，作者们预计他们的不确定性关系将能用于信息处理中。（马宇翰）

Entropic Energy-Time Uncertainty Relation

P. J. Coles, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 100401 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.100401

无序势中的物质波弹性散射时间

Richard等人报告了在光学无序势中对物质波弹性时间τs的广泛研究。采用直接实验测量、数值模拟，以及基于对无序性质的了解与第一阶玻恩近似对比的方法，他们研究了从弱散射区到强散射区，超过三个数量级的τS的行为。他们还详细地研究了过渡的位置，作为主要结果，他们揭示了无序统计的强烈影响，尤其是在广泛使用似Ioffe-Regel判据kls~1相关的地方。当发现与高斯分布无序势相关的时候，他们观测到与通常用到冷原子中的激光斑点无序有重大的偏差。他们的结果对于复杂输运现象的实验探究（比如Anderson局域化）和微观理论的联系是至关重要的。（刘宁）

Elastic Scattering Time of Matter Waves in Disordered Potentials

J. Richard, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 100403 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.100403

无先验信息的自适应压缩层析成像

量子态断层扫描既是量子信息和计算领域的一个重要组成部分，也是一项艰巨的任务，随着系统维数的增长，需要大量的测量配置。Ahn等人提出并实验性地实现了一种直观的自适应压缩层析成像方案，该方案受到信号恢复中传统压缩感知协议的启发，极大地减少了重建任何给定的量子态所需的配置数量，而无需对状态进行任何额外的先验假设（如等级信息，纯度等），除了它的维度。（成晶晶）

Adaptive Compressive Tomography with No a priori Information

D. Ahn, Y.S. Teo, et al

Phys. Rev. Lett. 122, 100404 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.100404

非局域变量的测量和前选择、

后选择光子对的乘积规则失效的演示

Xu等人在本文中报道了对非局域变量的冯诺伊曼瞬时测量的第一次实现。在创造超纠缠光子方面的技术成就，使这种测量成为可能。通过对这一测量的可靠性和测量的非破坏性进行高精度地检验，展示了该方案作为许多量子信息协议的基本成分的适用性。该方法允许我们首次通过强测量证明预选和后选量子系统的特殊特征：乘积规则的失败。作者们通过实验验证了，对于特定的预选和后选择的粒子对，对粒子A进行单次测量得到确定的σxA=-1，对粒子B进行单次测量得到确定的σxB=-1，而对A和B施加非局域对测量得到确定的σxAσxB=-1。（马宇翰）

Measurements of Nonlocal Variables and Demonstration of the Failure of the Product Rule for a Pre- and Postselected Pair of Photons

X.-Y. Xu, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 100405 (2019）

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.100405

通过额外量子比特辅助进行

频率上转换的纳米级矢量直流磁力计

高灵敏度和空间分辨率的静磁场传感对于基础物理学，生物成像和材料科学中的许多应用至关重要。更有益的是具有纳米级空间分辨率的全矢量磁力测量。在过去的十年中出现了几种通用的磁力测量平台，例如与金刚石中氮空位色心相关的电子自旋。然而，实现矢量磁力测定通常需要使用传感器集合或降低灵敏度。在本文中，Liu等人介绍一个混合磁力测量平台，它由传感器和辅助量子比特组成，可以对静场进行矢量磁力测量。在更普遍适用的层面，我们演示了金刚石氮空位色心电子传感器和核自旋量子比特的方法。特别地，感应横场依赖于通过辅助量子比特的直流频率上转换，允许具有低频噪声抑制的量子锁定检测。结合Ramsey对纵场的检测，作者们提出的频率上转换方案为纳米尺度的矢量直流磁力计提供了一种灵敏的技术。（马宇翰）

Nanoscale Vector dc Magnetometry via Ancilla-Assisted Frequency Up-Conversion

Y.-X. Liu (刘仪襄), et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 100501 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.100501

引力与天体物理

导读：郭敏勇；责编：高思杰

理解宇宙线电子的起源

基于国际空间站上的阿尔法磁谱仪收集的28.1×106电子，精确的宇宙射线电子的结果呈现在0.5 GeV至1.4 TeV的能量范围内。在整个能量范围内，电子和正电子谱具有明显不同的量级和能量依赖性。与较低的能量趋势相比，电子通量从42.1-5.2+5.4GeV开始显著过量，但这种过量的性质不同于超过25.2±1.8 GeV的正电子通量。与正电子通量相反，正电子通量具有810+310-180GeV的指数能量截止值，而在5σ水平下，低于1.9 TeV时，电子通量不具有能量截止值。在整个能量范围内，电子通量可以很好地由两个幂律分量的和来描述。通过阿尔法磁谱仪测量的宇宙射线电子和正电子的不同行为清楚地表明，大多数高能电子的来源不同于高能正电子。

Towards Understanding the Origin of Cosmic-Ray Electrons

M. Aguilar et al.

(AMS Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 122, 101101 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.101101

在银河系中心附近对

爱因斯坦等效原理的检验

当轨道围绕在四百万太阳质量的黑洞人马座A*时，S2星体经历了引力势能的明显变化。作者利用这种势能的变化来检验爱因斯坦等效原理的一部分：局域位置不变性(LPI)。他们研究了不同原子跃迁对引力势能的依赖性，给出了违反LPI的上限。这是通过在最接近黑洞的过程中分别测量恒星光谱中氢和氦吸收线的红移来完成的。对于这种测量，他们使用的是2015年至2018年的径向速度数据，并将其与S2位置的引力势能相结合，这是根据黑洞周围S2的精确已知轨道计算得出的。这导致违反LPI的限制为|βHe-βH|=(2.4±5.1) ×10-2。他们用这种测量探测的势能变化比地球上的测量值大6倍，比使用白矮星的实验大10倍。因此，他们检验的区域是之前未曾检验过的。

Test of the Einstein Equivalence Principle near the Galactic Center Supermassive Black Hole

A. Amorim et al.

(GRAVITY Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 122, 101102 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.101102

从 QCD 轴子产生原初黑洞

We propose a mechanism to generate primordial black holes (PBHs) that is independent of cosmological inflation and occurs slightly below the QCD phase transition. Our setup relies on the collapse of long-lived string-domain wall networks and is naturally realized in QCD axion models with domain wall number NDW> 1 and Peccei-Quinn symmetry broken after inflation. In our framework, dark matter is mostly composed of axions in the meV mass range along with a small fraction, ΩPBH≳ 10−6Ω CDM of heavy M ∼ 104− 107M⊙PBHs. The latter could play a role in all eviating some of the shortcomings of the standard cosmological model on subgalactic scales. The scenario might have distinct signatures in ongoing axion searches as well as gravitational wave observatories.

Primordial Black Holes from the QCD Axion

Francesc Ferrer, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 101301 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.101301

基本粒子与场论

责编：晁伟、刘晓辉

6 维超振幅的极化散射方程

作者融合了螺旋度极化信息，引入了螺旋度版本的散射方程，极化散射方程。这些计划方程确认了6维树图散射振幅的新的公式，这些公式能直接拓展到最大超对称的情况。作者发现了超杨-米尔斯理论，引力以及M5和D5膜的被积函数的新的内容。当约化到四维时，极化方程能给出库伦分支上的振幅的4维细化散射方程的带质量的类比。这些极化方程与Cachoazo等人提出的框架截然不同，尤其是，这些公式从偶数到奇数个粒子时候不会改变特性。

Polarized Scattering Equations for 6D Superamplitudes

Yvonne Geyer et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 101601 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.101601

AdS4 中的无质量场的自旋 - 螺旋度公式

在本文中，作者建议了一种4维反-德西塔空间（AdS4）无质量场的很自然的自旋螺旋度公式。这个公式是基于通过作用在sl(2,C)螺旋度变量的微分算符的AdS4等距代数so(3,2)的标准实现。作者从推导AdS平坦空间的平面波对应物开始，然后用他们来计算简单的散射振幅。最后，基于对称性的论断，作者将所有的三点无质量自旋场的振幅分类。就像在平坦空间那样，作者发现自旋-螺旋度公式允许他们构建相对于用洛伦兹张量方法来构建的额外的自恰相互作用。

Spinor-Helicity Formalism for Massless Fields in AdS4

Balakrishnan Nagaraj et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 101602 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.101602

半经典动力系统的热发射

本最近Maldacena,Shenker和Stanford等人猜测在热量子系统中Lyapunov指数的上界满足λL≤ 2 π T / ℏ。如果我们非常简单地将此界限用于有着固定Lyapunov指数λL的系统的话，它可能预言存在温度下线为T≥ℏλL/2π。尤其它意味着混沌系统在量子力学条件下不可能存在0温。即便是经典的、决定论的系统，一旦我们考虑量子修正后，也会呈现热力学行为。作者详细研究了半经典粒子在双曲固定点附近的运动，并证明了量子修正的确可以诱导满足玻尔兹曼分布的能量发射。作者进一步论证，这样的发射是与量子流体中的霍金辐射有关。作者还讨论了何时能够取到边界值。

Thermal Emission from Semiclassical Dynamical Systems

Takeshi Morita

Phys. Rev. Lett. 122, 101603 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.101603

强相互作用的纠缠压低以及 演生 对称性

作者证明了强相互作用S矩阵的纠缠压低与低能重子相互作用中观测到的近似自旋-味对称，既两种夸克味道的Wigner SU(4)对称或者三种夸克味道的SU(16)对称，有关联。作者猜测动力学纠缠压低是强相互作用红外的性质，并能导致这些演生对称性，并对预言核物理的性质和致密物质中的超核力提供强有力的限制。

Entanglement Suppression and Emergent Symmetries of Strong Interactions

Silas R. Beane, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 102001 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.102001

在 4.0 5 和 4.60GeV 区间

发现 e + e − → π + D 0 D *−截面中

存在共振结构的证据

使BESIII在e+e−→ π+D0D*−散射过程中，在4.23GeV以及4.40GeV附近看到散射截面的明显的提升。第一个峰与理论预言的D ¯D1 ( 2420 )分子相容。第二个增强不来自于任何已知的共振。为了更好地理解第二个增强，实验需要更详细的振幅分析。

Evidence of a Resonant Structure in the e+e−→ π+D0D*−Cross Section between 4.05 and 4.60 GeV

M. Ablikim et al.

(BESIII Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 122, 102002 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.102002

原子核物理

责编：耿立升

7Li 反应中不完全融合产物的来源

以及对完全融合的抑制

低结合能原子核的垒上完全融合通常有30%的压低. 导致这一压低并产生相关不完全融合产物的机制目前还存在争议. 结合7Li+209Bi反应中轻碎片和重剩余物的单独测量以及符合测量, K. J. Cook等人发展了一个新的实验方法研究产生不完全融合产物的机制. 他们发现，对于占主导的不完全融合产物--钋同位素, 只有小部分可以用弹核碎裂后的俘获来解释: 主要机制是氚核结团的转移. 因此, 他们认为，完全融合的抑制主要是由于弱束缚原子核中的结团现象, 而不是因为它们到达融合位垒前的碎裂. 这意味着有强结团存在的原子核的反应中，完全融合将会被抑制。(王亚坤)

Origins of Incomplete Fusion Products and the Suppression of Complete Fusion in Reactions of 7Li

K. J. Cook et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 102501 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.102501

原子、分子与光学

导读：宋新秀；责编：张文凯

可改进 H2电离和解离能测量的基准理论

[编辑推荐语]对氢分子离解能的高精度测定十分敏感于质子的有限尺寸。

H2的解离能是检验第一性原理计算准确性的一个基准量。本文展示了氢分子EF1Σ（ν=0，N=1）态和54p11里德堡态之间的能量间隔的新测量。当与先前确定的能量间隔相结合时，这种新的测量结果会导致正氢的离解能量DN=1 0的测量得到了大的提升，并首次将其不确定性降低到比有限大小的质子导致的1MHz附近的误差还要小3倍。这一35 999.582 834（11）cm-1的新结果与包含高阶相对论校正和量子电动力学校正的理论计算结果35 999.582 820（26）cm-1非常一致[M. Puchalski,et al. PRL 122, 103003（2019）]。该一致性清除了最近实验和理论之间的分歧，该分歧阻碍了在质子电荷半径存在争议的背景下使用H2的解离能的可能性。

Benchmarking Theory with an Improved Measurement of the Ionization and Dissociation Energies of H2

Nicolas Hölsch, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 103002 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.103002

氢分子的解离能的非绝热 QED 校正

在不增加电子-质子质量比的情况下，本文对氢分子能量的量子电动力学校正进行了评估。所得到的结果显著提高了理论预测的准确性，解离能达到了1 MHz的精度，并且与其他并行测量非常一致[Hölsch et al., Phys. Rev. Lett. 122, 103002 (2019）]。因此，氢分子已经成为超精确量子化学的基石，从而开辟了从其光谱中确定基本物理常数的前景。

Nonadiabatic QED Correction to the Dissociation Energy of the Hydrogen Molecule

Mariusz Puchalski, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 103003 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.103003

里德堡三聚物 Cs(6s) − Cs(nd) 中的

有效三体间相互作用

Ultralong-range Rydberg trimer molecules are spectroscopically observed in an ultracold gas of Cs(nd3/2) atoms. The anisotropy of the atomic Rydberg state allows for the formation of angulartrimers, whose energies may not be obtained from integer multiples of dimerenergies. These non-additive trimers coexist with Rydberg dimers. The existenceof such effective three-body interactions is confirmed with the observation of asymmetric line profiles and interpreted by a theoretical approach that includes relativistic spin interactions. Simulations of the observed spectra with and without angular trimer lines lend convincing support to the existence of effective three-body interactions.

Effective Three-Body Interactions in Cs(6s)−Cs(nd) Rydberg Trimers

Christian Fey, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 103001 (2019）

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.103001

利用扭曲光子的拉曼光学活性

拉曼光学活性利用振动光谱技术获得手性分子的详细结构信息的基础。这种效应集中在材料手的手性的圆偏振光的旋光性之间的相互作用。具有光学轨道角动量的扭曲光带有顺时针或逆时针旋转的螺旋相位波前，因此具有完全不同于极化性的手性。本文提出了一种全新的拉曼光学活性方法，它对自旋-轨道相互作用对入射扭曲光子的旋光性敏感，代表了一种新的手性光学光谱技术。

Raman Optical Activity Using Twisted Photons

Kayn A. Forbes

Phys. Rev. Lett. 122, 103201 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.103201

通过腔输出光子计数快速生成

自旋 -1 原子中的多体纠缠

We propose a simple and efficient method for generating metrologically useful quantum entanglement in an ensemble of spin-1 atoms that interacts with a high-finesse optical cavity mode. It requires straight forward preparation of N atoms in the mF=0 sublevel, tailoring of the atom-field interaction to give an effective Tavis-Cummings model for the collective spin-1 ensemble, and a photon counting measurement on the cavity output field. The photon number provides a projective measurement of the collective spin length S, which, for the chosen initial state, is heavily weighted around valuesS≃√N, for which the corresponding spin states are strongly entangled and exhibit Heisenberg scaling of the metrological sensitivity withN, as quantified by the quantum Fisher information.

Rapid Production of Many-Body Entanglement in Spin-1 Atoms via Cavity Output Photon Counting

Stuart J. Masson and Scott Parkins

Phys. Rev. Lett. 122, 103601 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.103601

非线性动力学与流体力学

责编:兰岳恒

双光子 - 声子散射的直接三维测量折射率

Antonio等人开发了一种显微镜技术，可以测量局部折射率而无需对电磁辐射的光学相位延迟进行采样。为此，Antonio等人设计并实验证明了一种具有两个共定位布里渊散射相互作用的装置，它们耦合到一个共同的声学声子轴; 在这种情况下，布里渊频移的比率取决于折射率，而不取决于样品的任何其他机械和光学性质。将光谱测量结果集成在共聚焦显微镜中，折射率以微米级三维分辨率进行映射。由于在epi检测中需要探查折射率并且对样品的几何尺寸没有假设，该方法可用于表征生物细胞和组织。（王娟娟）

Direct Three-Dimensional Measurement of Refractive Index via Dual Photon-Phonon Scattering

Antonio Fiore, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 103901 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.103901

多模光纤中的二维流体动力学

湍流和空间光束凝聚

We show that Kerr beamself-cleaning results from parametric mode mixing instabilities that generate anumber of nonlinearly interacting modes with randomized phases—optical wave turbulence, followed by a direct and inverse cascade towards high mode numbers and condensation into the fundamental mode, respectively. This opticalself-organization effect is an analogue to wave condensation that is well known in hydrodynamic 2D turbulence. （王娟娟）

Hydrodynamic 2D Turbulence and Spatial Beam Condensation in Multimode Optical Fibers

E. V. Podivilov, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 103902 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.103902

光子学中沙漏节点线的观察

最近证实了三维动量空间中呈现线简并节点线半金属的存在。通常，节点线半金属的存在受到特殊对称性的保护，例如镜像对称。然而，这些对称性通常是必要但不是充分条件，因为即使没有破坏它们，节点线也可以被消灭。最近，具有沙漏形能带结构的节点线半金属成为更鲁棒的候选，其线简并不能被消灭而同时保留所有空间对称性。在这里，Lingbo等人第一次通过实验证明在微波频率下光子晶体中存在沙漏节点线（HNL）。Lingbo等人通过空间场的近场扫描，随后用傅立叶变换来观察HNL。观察到的光子HNL位于一个清晰且较大的频率间隔内，并且不受保对称扰动的影响，这为光子应用(例如反常量子振荡、自发辐射和共振散射)提供了理想的鲁棒平台。（王娟娟）

Observation of Hourglass Nodal Lines in Photonics

Lingbo Xia, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 103903 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.103903

超高速旋转点源产生尾流的时空折叠

Wave sources moving faster than the waves they emit create a wake whose topological features are directly related to the geometry of the source trajectory. These features can be understood by considering space-time surfaces representing past emitted wave fronts. Specifically, for a supervelocity source moving along a circular path the space-time envelope folds and a cusp appears on the inner part of the wake. As a result, the wake is ultimately contained within two parallel corotating spiraling branches. In this Letter we take advantage of the low phase speed of water waves to study experimentally supervelocity sources moving at velocities up to several time the wave speed. We image in real time their emission patterns and characterize the topological features of their wakes. （王娟娟）

Space-Time Folding of the Wake Produced by a Supervelocity Rotating Point Source

Guillaume d’Hardemare, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 104301 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.104301

声子晶体中 II 型 Weyl 点

和费米弧的实验实现

Weyl点( WPs )作为三维动量带结构中的双重简并点，携带量子化拓扑电荷，并产生各种特殊性质，如强表面波和手性异常。最近在凝聚态物质系统和光子学中提出了II型Weyl半金属，其在费米表面具有锥形色散，并且相对于I型具有强烈倾斜的色散。虽然理论上已经在声学中预测了II型WP，但到目前为止尚未报道声子晶体中的实验实现。在这里，Xie等人通过实验实现了II型Weyl声子晶体。Xie等人演示了在WP频率观察到的拓扑跃迁和Weyl频率之间的拓扑表面声波。实验结果与Xie等人的理论分析完全一致。由于违反了洛伦兹对称性，II型WP仅存在于低能系统中。作为经典波的模拟对应物，声子晶体为宏观系统中II型WP的研究提供了平台。（王娟娟）

Experimental Realization of Type-II Weyl Points and Fermi Arcs in Phononic Crystal

Boyang Xie, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 104302（2019）

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.104302

相干记忆动力学中活性粒子的多稳自由态

Bacot等人研究了具有相干记忆的确定性自推进粒子的动力学。Bacot等人通过实验和数值证明它表现出几种稳定的自由态。该系统由一个自推进的液滴组成，液滴在振动的液体上弹跳，由每次弹跳时发出的波驱动。这个物体拥有一个推进记忆，由沿着它路径积累的波相干干涉产生。Bacot等人在这里研究了导致速度调制动力学建立的过渡区间。实验和数值模拟使人们能够探索相空间的未知区域并揭示自持振荡机制的存在。最后，Bacot等人展示了几个自由状态的共存。该特征既来自该路径记忆动力学的时空非局域性，也来自驱动机制的波动性质。（王娟娟）

Multistable Free States of an Active Particle from a Coherent Memory Dynamics

V. Bacot, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 104303（2019）

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.104303

由热运动引发的液滴聚结

相同半径的两个液滴聚结的经典概念是表面张力驱动最初的奇异流动。Sreehari等人用分子动力学模拟水纳米液滴的聚结，表明在热毛细波形成单个或多个桥之后，桥在热学区间开始生长。在这里，由于桥前沿附近分子的集体跳跃，桥梁在时间上线性扩张得比粘性毛细管速度快得多。只有当桥半径超过热学长度尺寸lT~√R时，才会发生向经典流体动力学区间的转变。（王娟娟）

Droplet Coalescence is Initiated by Thermal Motion

Sreehari Perumanath, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 104501（2019）

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.104501

等离子体与束物理

责编：陈少永，牟茂淋

硅微结构中的激光驱动电子透镜效应

[编辑推荐语]一组硅柱阵列可以在未来的计算机芯片尺寸的电子加速器中聚焦和约束电子束，该技术能够提供更快的电子加速。

Black等人展示了一种由单片硅制造的激光驱动可调谐电子透镜。该透镜由一组硅柱组成，硅柱由两个300 fs脉宽，1.95μm波长的nJ级激光脉冲对称泵浦，激光脉冲由一个光学参量放大器产生。柱结构的光学近场能够将电子聚焦在垂直于柱轴的平面中。在100±10MV / m的入射激光场的作用下测量发现，透镜焦距为50±4μm，该聚焦效果相当于磁场梯度为1.4±0.1MT / m的四极透镜。通过改变入射激光场强度，透镜的焦距可以从21±2μm（B'> 3.3 MT / m）调整到厘米量级。（杨生鹏）

Laser-Driven Electron Lensing in Silicon Microstructures

Dylan S. Black et al

Phys. Rev. Lett. 122, 104801 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.104801

电子束驱动产生频率

可调孤立相对论子循环脉冲

Thiele等人提出了一种生成频率可调子循环电磁脉冲的新方案。为此，当电磁种子脉冲被镜面反射时，泵电子束被注入到电磁种子脉冲中。研究证实电子束能够放大种子脉冲场，同时提高其中心频率并减少其循环次数。作者们通过一维和二维particle-in-cell模拟证实了这种放大效应。为了解释和优化这一过程，他们提出了一种基于流体理论的模型。据Thiele等人估计，利用现有的电子束和太赫兹脉冲源，该方案可以产生毫焦强的中红外子循环脉冲。（王科力）

Electron Beam Driven Generation of Frequency-Tunable Isolated Relativistic Subcycle Pulses

I. Thiele, et al

Phys. Rev. Lett. 122, 104803 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.104803

环形等离子体中环向带状流的直接测量

环形磁约束等离子体中的带状流是湍流和输运过程的自调节相互作用的一部分。对于具有强环形磁场的环形等离子体，带状流主要是极向的。本文报告了Nishizawa等人首次观察到的环向带状流。相关测量在极向磁场占主导的反场箍缩等离子体的最外闭合磁面内进行。作者们观测到带状流强度与等离子体电位波动幅值之间的极限环振荡，该观测印证了漂移波等离子体湍流的自调节特性。这些测量有助于推进环形等离子体的物理理解和回旋动力学模拟。（秦晨）

Direct Measurement of a Toroidally Directed Zonal Flow in a Toroidal Plasma

T. Nishizawa, et al

Phys. Rev. Lett. 122, 095001 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.105001

雷云电学特性的 GRAPES-3 介子成像观测

位于印度Ooty的GRAPES-3介子望远镜记录了大雷暴期间介子强度的快速(约10分钟)变化。在2011年4月至2014年12月期间记录的总共184次雷暴中，2014年12月1日的雷暴产生了1.3 GV的巨大电势。通过地面上四个相隔适当(最大6公里)的监测器测量的电场，可估算雷云的高度和面积等特性，计算结果发现雷云的高度在平均海平面以上11.4公里且面积大于等于380平方公里。雷云充电时间为6分钟，能量达到1.3 GV，移动速度为60 km/h，这意味着该雷云所提供的功率大于等于2GW。这项工作可能为雷云中千兆伏势的产生提供了首个直接证据，也可能解释了地面伽马射线闪光中最高能量(100兆伏)伽马射线的产生原因。（秦晨）

Measurement of the Electrical Properties of a Thundercloud Through Muon Imaging by the GRAPES-3 Experiment

B. Hariharan, et al

Phys. Rev. Lett. 122. 105101 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.105101

凝聚态物理：结构

责编：马天星

一维波色混合体的液态：

量子蒙特卡洛研究

使用精确的量子蒙特卡罗方法，Parisi等人计算了具有接触作用的一维玻色混合物中，液相的基态性质。作者发现，如果种间吸引相互作用和种内排斥相互作用之间的耦合强度比超过临界值，则可以形成液态。作为该比率的函数，作者确定了每个粒子能量具有最小值和压缩率发散时的密度，从而确定了均匀液体相图中的平衡密度和旋节点。此外，在稳定液态中，作者计算了化学势、声速以及结构和相干性质（如配对关联函数，静态结构因子和单体密度矩阵），从而对自约束液滴的体区域提供了详细的描述。（黄通昀）

Liquid State of One-Dimensional Bose Mixtures: A Quantum Monte Carlo Study

L. Parisi, et al

Phys. Rev. Lett. 122, 105302 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.105302

过冷液体在玻璃转化附近的

局部与全局拉伸机械响应

[编辑推荐语]：基于分子动力学模拟，作者得到了描述非晶体系宏观和局域弛豫行为的扩展指数方程的扩展系数不变性。

液体和玻璃的弛豫行为通常可以扩展指数方程来描述，但关于扩展系数的起源存在着非均匀性和均匀性两种存在争议的假说：非均匀性认为整体的扩展系数源于不同特征尺度空间对应的局域指数弛豫的叠加，而均匀性假设认为不同特征尺度空间的局域扩展系数不变。本文作者利用分子动力学模拟，研究了深过冷区液体在整体和不同特征尺度上的动态力学响应行为，发现无论是整体还是不同特征尺度上的局域粘弹性弛豫谱都可以用科尔-戴维森方程描述，且其扩展系数并不随特征尺度变化而变化，这为均匀性假说提供了直接证据；并发现局域势垒与局域高频剪切弹性模量的本征关联，给出了弹性排开模型成立的微观证据。（黄通昀）

Local versus Global Stretched Mechanical Response in a Supercooled Liquid near the Glass Transition

B. Shang, et al

Phys. Rev. Lett. 122, 105501 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.105501

r8 显性硅材料的形成

菱形相硅（r8-Si）是一种有前景的半导体材料，它由体心立方相（bc8-Si）交错堆叠形成。作者使用一种新的制样方法，用X射线衍射确定了菱形相硅中体心立方相的相对体积，并沿压痕施加方向观察到了变形的晶胞。理论计算与观察结果表明，内部压力约为4 Gpa时得到了稳定的r8相。（马驰）

Formation of an r8-Dominant Si Material

S. Wong, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 105701 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.105701

非周期性超晶格中的

Anderson 局域化淬火热传输

Juntunen等人的研究表明，非周期性超晶格展示出了在声子相干波干涉效应和非相干传输之间有趣的相互作用。特别是，宽带安德森局域化导致了室温下热导率急剧下降98％，低至超低值1.3Wm-1K-1，并且，在非周期性Si/Ge超晶格中进一步产生约为102的反常大的热各向异性比率。热导率最大值的出现可以确定是在系统长度尺度上声子安德森局域化的结果，该系统长度尺度连接了扩展和局域的电子传输方式。频率分辨图和他们的安德森局域化晶格动态描述相结合，阐明了这些系统中丰富的电子传输特性，以及热电应用中热传输的‘亚-’至‘少-THz’声子工程学关联无序性的潜在可能性。（王婧瑶）

Anderson Localization Quenches Thermal Transport in Aperiodic Superlattices

Taneli Juntunen, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 105901 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.105901

通过复合强化的迁移实现

单层 MoS2中的直接阳离子交换

二维材料除了其独特的光学和电学特性，还给我们提供了直接观测原子尺度范围内缺陷动力学的机会。本工作中，Yang等人使用扫描透射电子显微镜，观测了单层MoS2中的Re杂质与晶格中相邻的Mo原子发生直接交换形成置换位掺杂的过程。这种直接交换过程在体材料中仅仅被认为是一种扩散机制，密度泛函理论计算发现，直接交换过程的能量势垒对于热激发或者电子束中直接的能量传输来说都太大了。电子显微镜观察到，在交换的Re-Mo对附近存在多个硫空位，不能有效降低能量势垒，不足以用于解释观察到的原子交换。另一方面，计算发现，掺杂的Re和周围的硫空位，在能隙中引入了一组不断变化的深能级。于是作者提出，这些能级作为一个媒介，通过多个电子-空穴复合作用，导致了这种“爆炸式”的复合型强化的迁移现象。为进一步验证这一理论，Yang等人还证明了可以通过调控硫空位的形成来触发Re-Mo的直接交换。本工作中展示的实验和理论结果，为二维材料中实现操纵单个原子掺杂奠定了基础。（张陆峰）

Direct Cation Exchange in Monolayer MoS2via Recombination-Enhanced Migration

Shi-Ze Yang, et al

Phys. Rev. Lett. 122, 106101 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.106101

通过动量分辨的 4D 扫描透射电子显微镜

测量 AlN / GaN 纳米盘中的电极化

作者给出了在单位晶胞分辨率下，AlN/GaN纳米线异质结构中由偏振诱导的内部电场的图像，这是半导体光电子学中光学和结构现象相关性的关键所在。动量分辨像差校正扫描透射电子显微镜是他们所采用的新的成像模式，这种成像技术可以同时在实空间和倒空间中提供四维数据。作者阐释了如何在实验中分离内部中尺度电场和原子电场，并通过多电子散射的综合动力学模拟进行了验证。AlN和GaN中偏振感应电场的平均差为5.3±1.5MV/cm，这与先前论文报道的专用模拟结果和光致发光测量结果是一致的。（王婧瑶）

Electrical Polarization in AlN/GaN Nanodisks Measured by Momentum-Resolved 4D Scanning Transmission Electron Microscopy

Knut Müller-Caspary, et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 106102 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.106102

凝聚态物理：电子性质

责编：袁喆，马锋杰，沈卡

直接探测 Ba5AlIr2O11中的二聚轨道

包含铱酸盐在内的许多莫特绝缘体的电子态经常被概念化为局域原子态，例如著名的“Jeff=1/2态”。尽管轨道杂化会强烈改变这类电子态并显著影响材料的电子性质，实验探测这一过程仍然存在极大的挑战。本文中，作者使用共振非弹性x射线散射直接探测并量化了铱酸盐材料Ba5AlIr2O11中二聚轨道的形成。观测到了对应二聚轨道激发的尖峰，并结合密度泛函理论计算和基于铱-铱团簇模型的理论模拟进行理论分析分析。结果发现部分退局域化的二聚体态可导致了电子角动量的重新定义以及材料磁性和电子行为的改变。作者表示，可以用这个来解释观测到的磁矩相对于基于原子状态的预测的减少。该研究为研究包括固体、异质结构，分子和瞬态在内的大量材料中的二聚化开辟了新的方向。（刘钱）

Direct Detection of Dimer Orbitals in Ba5AlIr2O11

Y. Wang et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 106401 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.106401

极性分子各向异性 t - J模型中

相互作用诱导的分数化和拓扑超导性

本文中，作者展示了反铁磁相互作用与空穴运动的相互影响从而产生了拓扑超导相。这可以使用一维各向异性的t-J模型来描述，并且实验上可以通过将超冷极化分子囚禁在光学晶格来实现。结果显示，在不同的各向异性强度下，体系会出现不同量子相，范围从无带隙的Luttinger液体到自旋带隙的导体和超导体。特别地，作者发现在适当的z各向异性情况下，该类体系中有非平凡拓扑序的相的存在。这个非平凡的拓扑相可以由有一个有限的非局域弦参数唯一地描述，同时，该相展示出稳定的边缘自旋分数化。这些结果使我们能够探索相互作用诱导的拓扑超导物质中的量子相。（刘钱）

Interaction-Induced Fractionalization and Topological Superconductivity in the Polar Molecules Anisotropic t − J Model

Serena Fazziniet al.

Phys. Rev. Lett. 122, 106402 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.106402

具有俘获载流子能带的

绝缘体和半导体中的反掺杂效应

电子（空穴）的普通掺杂通常意味着费米能级向导带（价带）移动并且自由载流子的电导率增加。然而最近在不同材料中都发现一中特殊的掺杂特性：电子掺杂导致最低未占据带的一部分合并到价带中，导致电导率显著降低。刘奇航等人称这种特殊的掺杂为“反掺杂”，存在的体系包括稀土镍氧化物SmNiO3，钴氧化物SrCoO2.5，锂离子电池材料等。他们揭示了这类反掺杂效应的物理起源及其逆问题，即如何合理搜索这类材料。他们发现电子反掺杂在导带中含有俘获空穴的半导体材料中可以实现，机理是通过电子掺杂湮灭这种“空穴极化子”引起的带隙增加。反掺杂效应可以提供一种新奇的控制电导率的方式。（方子明）

Antidopingin Insulators and Semiconductors Having Intermediate Bands with Trapped Carriers

Qihang Liu et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 106403 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.106403

1T-TaS2中绝缘相

和一阶金属绝缘体转变的起源

Lee等人利用密度泛函理论计算，研究了八面体钽二硫化物（1T-TaS2）中的绝缘相和金属– 绝缘体转变（MIT）的起源，这是一种具有显著二维（2D）电荷密度波（CDW）序的层状范德华材料。他们表明MIT不是由2D序本身，而是由2D-CDW的垂直排序或3D-CDW序导致的。他们确定了两种非常稳定的3D-CDW构型;一个是绝缘的，另一个是金属的。两种CDW构型的竞争和混合解释了1T-TaS2中MIT的许多神秘特征，包括压力和掺杂引起的转变和滞后行为。这些结果强调了层间电子序可以在层状材料的电子相变中起重要作用。（方子明）

Originof the Insulating Phase and First-Order Metal-Insulator Transition in 1T−TaS2

Sung-Hoon Lee et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 106404 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.106404

转角双层石墨烯中魔角的起源

[编辑推荐语]：研究表明转角双层石墨烯中产生平带从而引起超导性的转角与量子霍尔波函数有关。

近期的研究发现，将转角双层石墨烯中两层石墨烯之间的相对角度调节到一个特殊“魔角”时，会出现一条孤立的平带，此时双层石墨烯中会出现超导性。然而，到目前为止，魔角的起源和非常规图案仍是未解之谜。本文中，Tarnopolsky等人报道了一个转角双层石墨烯连续模型，能够给出费米速度消失以及整个最低能带完美扁平化特征。作者用α（约为转角的倒数）进行参数化，发现魔角会以 Δα≃3/2 的周期循环出现。作者通过解析方法展示，精确的平带波函数可以由θ函数的比值组成的双周期函数构建，就如同环面上的量子霍尔波函数。作者进一步分析了与实验相关的第一魔角的稳定性，解析地给出了它的性质，并讨论了如何从晶格弛豫效应验证本文的模型参数。（李松）

Origin of Magic Angles in Twisted Bilayer Graphene

Grigory Tarnopolsky et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 106405 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.106405

无序金属中边界几何张量的普适标度理论

Fubini-Study度规张量和Berry相是量子理论中的两个基本概念，广泛应用于各种有趣的物理现象中，且这两个概念可以通过量子几何张量(QGT) 统一起来。本文中，作者使用数值方法研究了在外加小磁场下，接近Anderson局域化转变时的边界量子几何张量的有限尺寸标度与Anderson无序驱动的金属-绝缘体相变之间的关系。结果显示，QGT显示出普适标度性，并揭示了在弱随机磁场中正交临界态和幺正临界态会发生交叉。在临界点附近的QGT的流决定了临界指数。同时，作者也发现QGT的临界分布也是普适的，即使在均匀磁场中也表现出明显的各向同性。作者预言了外磁场中金属绝缘体转变处的普适和各向同性霍尔电导涨落。（刘钱）

Universal Scaling Theory of the Boundary Geometric Tensor in Disordered Metals

M. Werner et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 106601 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.106601

反铁磁 MnTe 薄膜中的平面霍尔效应

Yin等人报导了α-MnTe中自旋- 轨道耦合（SOC）通过产生各向异性的价带劈裂影响输运行为，导致Γ附近有四个自旋极化口袋。他们通过群论分析，紧束缚模型和从头计算构建了最小k⋅p模型来重建这种劈裂。该模型被用于描述零场平面霍尔效应（PHE）的旋转对称性。PHE源自SOC导致的能带各向异性，并且对于具有单个反铁磁畴的理想薄膜PHE定量估计为25％-31％。（方子明）

Planar Hall Effect in Antiferromagnetic MnTe Thin Films

Gen Yin et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 106602 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.106602

遍布玻色子超流和莫特绝缘体相的

多体多重分形

We demonstrate many-body multifractality of the Bose-Hubbard Hamiltonian’s ground state in Fock space, for arbitrary values of the interparticle interaction. Generalized fractal dimensions unambiguously signal, even for small system sizes, the emergence of a Mott insulator that cannot, however, be naively identified with a localized phase in Fock space. We show that the scaling of the derivative of any generalized fractal dimension with respect to the interaction strength encodes the critical point of the superfluid to the Mott insulator transition, and provides an efficient way to accurately estimate its position. We further establish that the transition can be quantitatively characterized by one single wave function amplitude from the exponentially large Fock space.

Many-Body Multifractality throughout Bosonic Superfluid and Mott Insulator Phases

Jakob Lindingeret al.

Phys. Rev. Lett. 122, 106603 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.106603

金属表面单分子

非谐泛音振动的检测与表征

使用扫描隧道显微镜（STM）的非弹性电子隧道谱仪（IETS）是用于表征单分子水平的振动和自旋态的强有力技术。虽然IETS缺乏严格的选择规则，历史上人们一直认为振动泛音很少见到甚至不存在。在这里，Czap等人提供确凿的实验证据，表明可以通过同位素取代利用STM-IETS检测到吸附在Ag（110）上一氧化碳分子的受阻旋转泛音激发。他们还表明泛音激发的非谐性可以在吸附位点间进行表征和比较，并且找到了吸附在[1-10]阶梯边缘的CO的振动非谐性的各向异性证据。（方子明）

Detection and Characterization of Anharmonic Overtone Vibrations of Single Molecules on a Metal Surface

Gregory Czap et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 106801 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.106801

纳米磁体阵列的加工：

在 Ir （ 111 ）上外延生长的石墨烯上沉积的

质量选择的 FePt 纳米颗粒的组装与磁性质

The moiré pattern created by the epitaxy of a graphene sheet on an iridium substrate can be used as a template for the growth of 2D atomic or cluster arrays. We observed for the first time a coherent organization of hard magnetic preformed FePt nanoparticles on the 2D lattice of graphene on Ir(111). Nanoparticles of 2 nm diameter have been mass selected in a gas phase and deposited with low energy on the hexagonal moiré pattern. Their morphology and organization have been investigated using grazing incidence small angle x-ray scattering, while their magnetic properties have been studied by x-ray magnetic circular dichroism, both pointing to a FePt cluster-graphene surface specific interaction. The spatial coherence of the nanoparticles is preserved upon annealing up to 700 °C where the hard magnetic phase of FePt is obtained.

Elaboration of Nanomagnet Arrays: Organization and Magnetic Properties of Mass-Selected FePt Nanoparticles Deposited on Epitaxially Grown Graphene on Ir(111)

Pierre Capiod et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 106802 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.106802

铁掺杂InAs半导体中由近邻效应诱导的

超导态的电子自旋三重态配对证据

Nakamura等人给出了铁磁半导体(In,Fe)As中由近邻效应诱导的超导性具有电子自旋三重态配对形式的证据。正如在半金属材料中所发现的，作者在该体系中发现了特别长的近邻范围。作者从临界电流随磁场变化出现的持久振荡推断出，超导区域边缘具有很强的超流浓度。临界电流的最大值并不出现在零磁通时，而是出现在最大磁无序附近，这反映了自旋三态和自旋单态配对的联系。近邻超导性中的这些自旋三态配对本质也表明了(In,Fe)As的铁磁特性。（李松）

Evidence for Spin-Triplet Electron Pairing in the Proximity-Induced Superconducting State of an Fe-Doped InAs Semiconductor

Taketomo Nakamura et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 107001 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.107001

拓扑磁振子诱导的手性声子输运

The plethora of recent discoveries in the field of topological electronic insulators has inspired a search for boson systems with similar properties. There are predictions that ferromagnets on a two-dimensional honeycomb lattice may host chiral edge magnons. In such systems, we theoretically study how magnons and phonons couple. We find topological magnon polarons around the avoided crossings between phonons and topological magnons. Exploiting this feature along with our finding of Rayleigh-like edge phonons in armchair ribbons, we demonstrate the existence of chiral edge modes with a phononic character. We predict that these modes mediate a chirality in the coherent phonon response and suggest measuring this effect via elastic transducers. These findings reveal a possible approach towards heat management in future devices.

Chiral Phonon Transport Induced by Topological Magnons

Even Thingstad et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 107201 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.107201

范德瓦尔斯层间反铁磁

MnBi2Te4薄膜的独特厚度依赖性

Otrokov等人使用密度泛函理论和蒙特卡罗计算，研究了范德瓦尔斯层间反铁磁体在二维极限下磁性和电子性质的厚度依赖性。以MnBi2Te4作为模型材料，他们发现它表现出一类显著的具有厚度依赖的磁性和拓扑相变。虽然MnBi2Te4的单个七层层块是拓扑平庸的铁磁体，但由奇数（偶数）块构成的厚膜则是未补偿的（补偿的）层间反铁磁体，显示出宽带隙量子反常霍尔（零平台量子反常霍尔）态。因此，MnBi2Te4是第一个被预测可以本征实现零平台量子反常霍尔态的化学计量材料。这种态理论上已经被表明可以承载奇异的轴子绝缘体相。（方子明）

Unique Thickness-Dependent Properties of the van der Waals Interlayer Antiferromagnet MnBi2Te4Films

M. M. Otrokov et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 107202 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.107202

奈尔型斯格明子主体材料GaV4S8中

光学驱动的集体自旋激发和磁矩动力学

GaV4S8 is a multiferroic semiconductor hosting magnetic cycloid (Cyc) and Néel-type skyrmion lattice (SkL) phases with a broad region of thermal and magnetic stability. Here, we use time-resolved magneto-optical Kerr spectroscopy to show the coherent generation of collective spin excitations in the Cyc and SkL phases. Our micromagnetic simulation sreveal that these are driven by an optically induced modulation of uniaxial anisotropy. Our results shed light on spin dynamics in anisotropic material shosting skyrmions and pave a new pathway for the optical manipulation of their magnetic order.

Optically Driven Collective Spin Excitations and Magnetization Dynamics in the Néel-type Skyrmion Host GaV4S8

P. Padmanabhan et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 107203 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.107203

单量子点诱导的 Wigner 时间延迟

Resonant scattering of weak coherent laser pulseson a single two-level system realized in a semiconductor quantum dot is investigated with respect to a time delay between incoming and scattered light. This type of time delay was predicted by Wigner in 1955 for purely coherent scattering and was confirmed for an atomic system in 2013 [R. Bourgain et al.,Opt. Lett. 38, 1963 (2013)]. In the presence of electron-phonon interaction, we observe deviations from Wigner’s theory related to incoherent and strongly non-Markovian scattering processes which are hard to quantify via adetuning-independent pure dephasing time. We observe detuning-dependent Wignerdelays of up to 530 ps in our experiments which are supported quantitatively by microscopic theory allowing for pure dephasing times of up to 950 ps.

Wigner Time Delay Induced by a Single Quantum Dot

Max Strauβ et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 107401 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.107401

与超表面耦合的GaAs中

由太赫兹驱动的相干光学声子放大

Woerner等人使用双色二维光谱证明了与金属超表面耦合的GaAs结构中的纵向光学声子可以通过其与电子等离子体的极化光学相互作用进行放大。超材料共振器增强了宽带太赫兹场，从而产生相干的纵向光学声子并驱动GaAs导带中的自由电子。纵向光学声子幅度的时间演化可以通过中红外脉冲测量其诱导出的Kerr非线性来获得。测量结果表明纵向光学声子最多可被放大10倍，与理论估计值相符。（李松）

Terahertz Driven Amplification of Coherent Optical Phonons in GaAs Coupled to a Metasurface

Michael Woerner et al

Phys. Rev. Lett. 122, 107402 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.107402

平面超导-半导体异质结构中的分数

约瑟夫森涡旋及马约拉纳零能模式编织

当超导体-金属-超导体构成的平面约瑟夫森结中的金属存在自旋轨道耦合且处于一个面内磁场中时，就有可能会形成一维拓扑超导体。这种一维拓扑超导体已经引起了理论和实验上关注。本文作者考察了垂直磁场和跨越约瑟夫森结的超流对马约拉纳零能模式的位置和结构的影响。作者发现在特定的条件下，约瑟夫森涡旋分解成了两个半涡旋，每一个半涡旋携带半个超导通量和一个马约拉纳零能模式。作者还发现在这个系统中可以通过电流对马约拉纳零能模式编织进行操控。（李松）

Fractional Josephson Vortices and Braiding of Majorana Zero Modes in Planar Superconductor-Semiconductor Heterostructures

Ady Stern and Erez Berg

Phys. Rev. Lett. 122, 107701 (2019)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.107701

软物质与交叉科学

导读：张鑫洁；责编：严钢

金纳米颗粒

在聚合物熔体中的一维反常扩散

本文利用X射线光子相关光谱法研究了聚合物接枝的金纳米颗粒在聚合物熔体中的动力学行为。对于低分子量的基质聚合物链，金纳米颗粒表现出正常的各向同性扩散；对于较高的分子量，颗粒呈现反常扩散，其行为可用弹道运动和广义的Levy行走来描述。在一定的退火条件下，扩散是一维的，与退火过程中热流的方向以及主聚合物链的动态排列都有关。对非完全排列的聚合物网络中单个金纳米颗粒的扩散行为进行分子动力学模拟，能够半定量地再现实验结果。这些结果有助于展示纳米颗粒如何在特定条件下在聚合物网络中快速移动。

One-Dimensional Anomalous Diffusion of Gold Nanoparticles in a Polymer Melt

Jing-Jin Song et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 107802 (2019)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.107802

改变纳米尺度势能

可调整致密膜的渗透性

渗透性是软物质、材料工程和纳米流体力学中最基本的输运性质之一。然而，渗透性的优化，特别是不同渗透剂之间的高度选择性，在过去几十年中一直是材料设计的一大挑战。Kim等人使用朗之万动力学模拟了致密晶格膜中理想渗透剂的简约模型系统，研究了如何通过系统地改变膜的吸引力、体积分数和拓扑结构来大规模地调整，甚至最大化或最小化渗透性。作者利用极限标度理论展示了所观察到的非单调行为和渗透性极值的出现远非平凡的，而是由渗透分配和扩散性之间的强反关联和实质抵消所致，尤其是在致密且高度吸引的膜内。

Tuning the Permeability of Dense Membranes by Shaping Nanoscale Potentials

WonKyu Kim et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 108001 (2019)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.108001

胶体玻璃的脱钉相变中

存在强异质动力学

以前的研究探索了胶体模型系统中的线性和非线性区域，但仍然缺乏对预测的、高度反常的探针位移时空分布的实验研究。Şenbil等人的实验和理论结果显示，当粒子受外力驱动时，玻璃化转变附近的结构均匀的胶体悬浮液表现出异质的间歇的动力学行为。当外力超过阈值时，作者观察到强间歇动力学和双模范霍夫分布函数；当外力较小时，粒子平均位移和静态均方位移服从线性响应关系。模耦合理论的计算结果与实验观测结果吻合。

Observation of Strongly Heterogeneous Dynamics at the Depinning Transition in a Colloidal Glass

Nesrin Şenbil et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 108002 (2019)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.108002

剪切驱动阻塞的维数和粘度指数

以往的数值模拟结果显示，各向同性阻塞的临界指数与系统的维数无关。主流观点认为剪切驱动阻塞也应如此，并且通过建立理论模型，将剪切驱动干扰的临界指数与适合各向同性阻塞的平均场值联系起来。然而，Olsson等人并不赞同此观点，并得到了与此相反的结论。作者采用了剪切驱动动力学模拟三维零温下双分散无摩擦颗粒的集合，旨在与二维行为进行比较。结果表明，与压缩或淬火各向同性阻塞的结果相比，三维中的临界指数不同于二维，并且得出了二维和三维的剪切驱动阻塞属于不同的普适类的结论。

Dimensionality and Viscosity Exponent in Shear-driven Jamming

Peter Olsson

Phys. Rev. Lett. 122, 108003 (2019)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.108003

人体植入胶囊的最优辐射

自主植入式生物电子系统需要高效的辐射结构来进行数据传输和无线供电。Nikolayev等人对人体植入胶囊的辐射进行研究，通过量化电耦合和磁耦合源的参数与它们可实现的效率之间的权衡，以达到最佳辐射。并将物理边界辐射效率作为设计质量度量，证明了基本边界远远超过传统设计所获得的效率。作者还提出了一种基于介质加载的圆柱形贴片结构的最佳源的实现方法，该结构的辐射效率接近理论极限，并且比现有系统提高了五倍。

Optimal Radiation of Body-Implanted Capsules

Denys Nikolayev et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 108101 (2019)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.108101

有界随机性下 Logistic系统的相图

灭绝是任何随机生灭过程的最终吸收态，因此，灭绝时间是自然种群的一个重要特征。Yahalom等人研究了人口统计学与有界环境随机性共同作用下的Logistic和类Logistic系统，确定出了三个相：非活跃相，其中平均灭绝时间T随初始种群大小呈对数增加；活跃相，其中T随承载力N呈指数增加；时间Griffiths相，其中T与N呈现幂律关系。只有当噪声有界时，系统才支持指数相，在这种情况下，连续（扩散）近似在Griffiths相内被打破。为了研究幂律相，作者提出了一种适用于扩散和非扩散两种机制的WKB方案。

Phase Diagram for Logistic Systems under Bounded Stochasticity

Yitzhak Yahalom et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 108102 (2019)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.108102

物理维度上自举渗流混合相变的存在性

自举或k-core渗流（BP）在Bethe晶格上表现出一阶与二阶的混合相变，具有不连续的序参量和发散的临界涨落。Rizzo将最近提出的M-层技术用于研究平均场理论的修正。结果表明，BP在所有阶上的环展开，问题都等价于具有淬火无序的旋节，意味着平均场混合相变在物理维度上并不存在。然而，它作为回避转变的关键性质，成为超冷液体回避模耦合理论临界点的一种途径。

Fate of the Hybrid Transition of Bootstrap Percolation in Physical Dimension

Tommaso Rizzo

Phys. Rev. Lett. 122, 108301 (2019)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.108301

从线性到平方根市场影响的过渡

资本市场上大量的交易数据可以用于金融物理领域的实证研究。近二十年最重要的实证成果之一是发现了市场影响的平方根律，即大额的买单或卖单对价格的影响正比于该买/卖单规模的平方根。然而，在交易规模较小时，仍然存在线性市场影响。Bucci等人利用一个包含美国股权市场上800万笔机构交易的大型数据集，首次细致地研究了随着交易规模的变化市场影响从线性区域到平方根区域的过渡，发现新近提出的流动性动力学理论可以很好地解释关于这种过渡的实证结果。作者认为，两种市场影响过渡的产生主要因为市场流动性中存在至少“快”和“慢”两个特征时间尺度，高频交易决定市场的总体活动，低频交易则使得影响函数具有凹性。

Crossover from Linear to Square-Root Market Impact

Frédéric Bucci et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 108302 (2019)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.108302

非手性弯核介晶的手性不对称螺旋相

An achiral, bent-core mesogen forms several tilted smectic liquid crystal phases, including a nonpolar, achiral de Vries smectic A which transitions to a chiral, ferroelectric state in applied electric fields above athreshold. At lower temperature, a chiral, ferrielectric phase with a periodic, supermolecular modulation of the tilt azimuth, indicated by a Bragg peak incarbon-edge resonant soft x-ray scattering, is observed. The absence of a corresponding resonant umklapp peak identifies the superlayer structure as a twist-bend-like helix that is only weakly modulated by the smectic layering.

Chiral Incommensurate Helical Phase in a Smectic of Achiral Bent-Core Mesogens

Adam A. S. Green et al.

Phys. Rev. Lett. 122, 107801 (2019)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.107801

[文字编辑：谢晓芝]

来源：京师物理

编辑：Shiny

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量子混沌：相互作用如何影响量子多体系统的局域化？

导语

在量子系统中，相干性会打破单个粒子的遍历性，使之进入一种动态局域化状态。对于包含相互作用的量子多体系统，情况会是怎样呢？近日发表于 Nature Physics 的两项研究通过实验证明，相互作用会破坏量子多体系统的动态局域化，不过量子系统并不是产生经典的混沌行为，而是显示出亚线性的反常扩散，进入“量子混沌”。这些研究结果定量地阐明了多体量子混沌现象，对相互作用系统中的量子信息保护具有启示意义。

研究领域：混沌，量子多体，局域化，凝聚态物理

近年来，量子力学在量子计算和量子信息等领域得到广泛应用，但理解和控制这些技术仍然充满挑战性。一个关键障碍是难以理解多个量子粒子如何相互作用。

1. 一种不同类型的混沌

最近，来自加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）、马里兰大学和华盛顿大学的物理学家们解决了一个长期存在的物理学难题：粒子间相互作用如何影响动态局域化 （dynamical localization）？

UCSB 实验物理学家 David Weld 的专长是超冷原子物理和量子模拟。他介绍说，“这是从凝聚态物理继承而来的老问题。”这个问题属于“多体”物理的范畴，它探究具有多个部分相互作用的量子系统的物理特性。

虽然多体问题几十年来一直处在研究和争论中，但由于这些系统的复杂性，及其量子叠加和纠缠行为，导致它们具有大量的可能性，不可能仅通过计算来解决。

图1. Weld 实验室使用的实验装置。| 来源：Tony Mastres

幸运的是，使用超冷锂原子和激光实验可以有效地解决这个问题。那么，当相互作用被引入无序、混沌的量子系统时，会发生什么呢？

Weld 认为，会形成一种“奇异的量子态”。这是一种反常的状态，其性质在某种意义上介于经典预测和非相互作用的量子预测之间。这些物理学家的发现最近发表在《自然·物理》杂志上。

论文题目：

Interaction-driven breakdown of dynamical localization in a kicked quantum gas

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01724-7#citeas

2. 当相互作用引入量子多体系统

量子的世界从来不缺乏奇异的、反直觉的行为。考虑一个正常的单摆，它在受到周期性的作用力时，会如我们预期的那样运动。Weld 解释说：“如果我们每隔一段时间击打单摆，上下摇晃它，经典单摆会不断吸收能量，开始到处摆动，并在整个参数空间中混沌地漫游。”

量子系统中的混沌则截然不同 。无序可能使粒子达到某种静止状态，而不是运动。而且，与经典单摆不同，被击打的量子单摆或者说“转子”最初可能会从击打中吸收能量，但在多次击打后，系统会停止吸收能量，动量分布不再变化，这就是所谓的动态局域化状态 （dynamically localized state）。这种局域化类似于“肮脏”电子固体的行为，其中无序导致电子停止移动并局域化，使得固体从金属或导体（移动的电子）转变为绝缘体。

虽然这种局域化状态在单个、无相互作用粒子的环境下被研究了几十年，当一个无序系统包含多个相互作用电子时会发生什么呢？ 从几年前，马里兰大学的理论物理学家 Victor Galitski 到UCSB 访问 Weld 后，这样的问题和量子混沌的相关问题就一直萦绕在他们的脑海中。

Weld 回忆道：“Victor 提出的问题是，如果不是单纯的无相互作用的量子系统，由于干涉而保持稳定，而是有一堆这样的量子转子，它们全部可以碰撞和相互作用，会发生什么？局域化会持续存在，还是会被相互作用破坏？”

Galitski 说：“事实上，这是一个非常困难的问题，它涉及到统计力学的基础和遍历性这一基本概念。由于遍历性，大多数相互作用系统最终会热化到一个均匀状态。”

想象把冷牛奶倒进热咖啡里的情况。随着时间推移，通过相互作用，杯子里的粒子会自发形成一种均匀的平衡态，既不是单纯的热咖啡，也不是冷牛奶。此前人们一直预期，这种“热化”（thermalization）行为在所有相互作用的系统中都会发生；直到大约16年前，有人认为量子系统中的无序会导致多体局域化 （many-body localization）。Galitski 说：“这种现象在今年早些时候被昂萨格奖*所认可，但很难从理论或实验上严格证明。”

译注：昂萨格奖（Lars Onsager Prize）是为纪念物理学家 Lars Onsager 而设立，表彰统计物理领域的贡献，2022年授予 Boris Altshuler，David A. Huse 和 Igor L. Aleiner 三位物理学家，认可他们“在多体局域化方面的基础工作，相关的相变，以及对热化和遍历性的影响”。该奖项此前曾授予 Leo Kadanoff，杨振宁，David J. Thouless, John M. Kosterlitz, Bertrand Halperin, Giorgio Parisi 等人。

图2. 图像显示原子的动量分布随激光脉冲冲击次数的变化。

（左）在非相互作用的简单情况下，前几次冲击加强非零动量状态，但随后的冲击不会进一步改变这种分布。实际上，动量分布是“冻结”的，表明动态局域化的出现。（右）加入相互作用后，由于粒子间的碰撞和散射，原子开始在动量状态之间漫游，导致随着冲击次数增多，图像变得更加模糊。这些散射事件影响整体动量分布的方式，帮助我们定量地理解相互作用如何影响动态局域化。

Weld 的团队拥有阐明这种情况所需的技术和专业知识。在他们的实验室里，一种由10万个超冷锂原子组成的气体悬浮在驻波光中，每个原子代表一个量子转子，可以受到激光脉冲的冲击。Weld 解释说：“我们可以使用一种叫做费什巴赫共振（Feshbach resonance）的工具来保持原子之间恍若隐形，或者也可以让它们具有任意强度的相互作用，彼此碰撞反弹。”只要转动一个旋钮，研究人员就可以让锂原子从整齐的成排舞蹈变成激烈的狂舞，并捕捉它们的行为。

正如预期的那样，当原子彼此不可见时，它们吸收激光的能量被冲击到某个点，之后便停止运动，停留在动态局域化状态，尽管不断受到激光冲击。但当研究人员启动相互作用时，不仅局域化状态减弱，而且系统从重复的冲击中吸收能量，模仿经典的混沌行为 。然而，Weld 指出，虽然相互作用的无序量子系统在吸收能量，但它吸收能量的速度比经典系统要慢得多。

他说：“我们看到一种物质吸收能量，但不如经典系统那么高效。而且能量似乎是大致随着时间的平方根增长，而不是线性增长。所以相互作用并没有使它成为经典系统；它仍然是一种奇异的量子态，表现出反常的非定域性。”

图3. 对于三种散射波长，动能随激光脉冲冲击次数的变化。散射波长越长，原子间相互作用越强。

可以看到，随着相互作用增强，动态局域化的破坏很明显。在无相互作用时（0a0），能量始终保持恒定。当相互作用增加到 240a0时，在冲击几百次之后，能量出现偏离；在相互作用增加到 760a0 时，能量持续增长。而且这种能量增长明显低于经典系统的扩散增长（如内嵌图中蓝色实线和三角形数据所示），被称为“反常扩散”。

3. 量子混沌

Weld 的团队使用一种叫做“回声”的技术，其中动态演化先是向前然后向后运行，以直接测量相互作用破坏时间可逆性的方式。这种时间可逆性的破坏是量子混沌（quantum chaos）的一个关键特征。

论文合作者、锂研究团队的研究生 Roshan Sajjad 说：“另一种思考方法是问这样的问题：一段时间后，系统对初始状态还有多少记忆？”在没有杂散光或气体碰撞等任何扰动的情况下，如果物理系统反向运行，系统应该能够回到初始状态。他说：“在我们的实验中，我们通过逆转冲击激光的相位来逆转时间，‘消除’前一次正常冲击的影响。吸引我们研究这个问题的部分原因是，对这种类型的相互作用系统，不同理论预测了不同行为，但从来没有人做过实验。”

“混沌的大致概念是，即使运动规律是时间可逆的，由于一个多粒子系统是如此复杂且对扰动敏感，它几乎不可能回到初始状态，”论文第一作者 Alec Cao 说。问题在于，在实际无序（局域化）状态下，相互作用在一定程度上破坏了局域化，使系统失去了时间反转的能力。Sajjad 补充说，“你可能会天真地认为，相互作用会破坏时间反转，但我们发现了更有趣的事情：一点点相互作用实际上就有帮助！这是这项研究中一个更令人惊讶的结果。”

图4. 相互作用诱导的离域化标志着向多体量子混沌的转变。

向系统施加 5 次冲击，然后延迟半个周期再施加 5 次冲击。可以看到，在施加第二组冲击时，动量分布开始“反转”。如果哈密顿量完全逆转，在 10 次冲击之后，最终状态和初始状态应该相同，会再次观察到初始的 0 动量状态。但结果显示无法逆转相互作用能量，即相互作用破坏了时间反转。

Weld 和 Galitski 并不是唯一看到这种模糊量子态的人。华盛顿大学的物理学家 Subhadeep Gupta 和他的团队同时进行了一项补充实验，在一维情况下使用更重的原子得到了类似的结果。Gupta 的团队与德克萨斯大学达拉斯分校的理论物理学家 Chuanwei Zhang 及其团队合作，他们的研究结果一起发表在《自然·物理》杂志上。

论文题目：

Many-body dynamical delocalization in a kicked one-dimensional ultracold gas

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01721-w

Gupta 团队的实验是在一种非常艰难的物理环境下进行的，重25倍的原子只能在一维空间运动，但也测量到了周期性撞击产生的弱于线性的能量增长。

这些发现，就像许多重要的物理结果一样，开启了更多的问题，并为更多的量子混沌实验铺平了道路，使得经典物理和量子物理之间的联系可能被揭示。

Galitski 评论说：“Weld 的实验是第一次尝试在更可控的实验室环境中探测多体量子局域化的动态版本。尽管它没有明确地解决基本问题，但数据显示一些奇怪的事情在发生。”

Weld 追问道：“在凝聚态系统中多体局域化的大量工作背景下，我们要如何理解这些结果？如何描述这种物质状态？我们观察到系统在离域化，但不具有预期的线性时间依赖性；这是怎么回事？我们期待未来的实验能够探索这些和其他问题。”

Sonia Fernandez | 作者

梁金 | 译者

陈关荣 | 审校

邓一雪 | 编辑

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