来源:京师物理 发布时间:2018/12/7 10:00:44
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PRL论文导读:2018年121卷18期

 

普通物理:统计与量子物理
 
责编:艾清
 
具有自旋轨道耦合的
 
玻色爱因斯坦凝聚体的Beliaev阻尼
 
Beliaev阻尼为准粒子的耗散提供了基本的解释。以前的研究表明,双分量内部自由度对Beliaev阻尼没有非平庸的效应。而在这篇文章里,Wu和Liang通过在Beliaev阻尼中的自旋轨道耦合,给出了揭示玻色气体旋子本性的第一个例子。他们发现了由于自旋轨道耦合而出现的Beliaev衰减率的新颖特征。尤其是这种特征表明了自旋—密度耦合的明显相关性,以及在零动量和平面波相位之间耦合修饰相位边界上的发散。通过伽利略不变性的破缺在密度和自旋通道中耦合激发,这是自旋轨道耦合效应在远离平均场区的一种表现。更进一步,他们发现在实验上通过测量极化率和磁化率来测量Beliaev阻尼率是可行的,这已经在具有自旋轨道耦合的玻色气体中得以实现。(刘宁)
 
Beliaev Damping of a Spin-Orbit-Coupled Bose-Einstein Condensate
 
Rukuan Wu and Zhaoxin Liang
 
Phys. Rev. Lett. 121, 180401 (2018)
 
 
 
囚禁离子的可恢复纠缠门
 
构建大规模的离子阱量子处理器要求在有噪声和实验不完美的情况下,纠缠门操作具有鲁棒性。Webb等人从实验上展示了一种新型的Mølmer-Sørensen门如何防止在其使用中因运动模式加热而引起的失真。此外,他们也展示了相同的技术如何同时在久期频率给系统提供重要的保护,防止慢涨落和错配。由于参数灵敏性在没有冷却到基态的情况下变差,他们的方法为在现实中实现量子计算和量子模拟放松了对离子冷却的要求。(刘宁)
 
Resilient Entangling Gates for Trapped Ions
 
A. E. Webb, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 180501 (2018)
 
 
 
基于囚禁离子量子比特的鲁棒纠缠门
 
在许多量子信息处理任务中,高保真双量子比特纠缠门发挥着重要的作用,它是构建通用量子计算机的必要构件。Shapira等人已经在囚禁离子量子比特上演示了这种高保真度的门; 但是,他们发现门参数中的控制误差和噪声仍然可能会导致保真度的降低。在这里,Shapira等人提出并演示了一个普遍的双量子比特纠缠门系列,它对不同的噪声源和控制误差具有鲁棒性。通过使用多音驱动这些纠缠门推广了著名的Mølmer-Sørensen门。在实验中他们在88Sr+离子中实现了几个建议的门,其中这些离子被囚禁在一个线性保罗陷阱中,并验证了它们的可恢复性。(成晶晶)
 
Robust Entanglement Gates for Trapped-Ion Qubits
 
Yotam Shapira, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 180502 (2018)
 
 
 
与设备无关的所有纠缠态的纠缠认证
 
通过以与设备无关的方式,Bowles等人提出了一种证明所有纠缠量子态的纠缠的方法。这是通过将态置于量子网络中,并基于态的纠缠证据构建关联不等式来实现的。他们的方法与设备无关,在某种意义上,在对潜在的物理做最小假设情况下,可以仅从观察到的统计数据中来证实纠缠。从概念上讲,他们的结果借鉴了自我测试领域的想法,他们将与测量设备无关的纠缠证据带入完全独立于设备的区域。(成晶晶)
 
Device-Independent Entanglement Certification of All Entangled States
 
Joseph Bowles, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 180503 (2018)
 
 
 
三维下非相干源对的受量子限制的超分辨
 
从一对非相干源发射的辐射随即被成像器捕获,由此可以来估计这两个源的间隔。估计的误差从根本上是被相应的量子Fisher信息(QFI)矩阵的逆来限定。Yu和Prasad在本文中计算了用于估计完整的三维对分离向量的QFI,扩展了先前在一维和二维中对分离的工作。作者们还表明,对分离QFI实际上与源局域化QFI相同,这突出了光子态局域化在确定两个问题的最终估计-理论界中的根本重要性。作者们还提出了一般的相干投影基,可以在两个特殊情况下获得QFI。他们用Zernike基对这种量子限制的对超分辨的近似实验实现进行了模拟,证实了QFI界的可实现性。(马宇翰)
 
Quantum Limited Superresolution of an Incoherent Source Pair in Three Dimensions
 
Zhixian Yu and Sudhakar Prasad
 
Phys. Rev. Lett. 121, 180504 (2018)
 
 
 
用贝尔定理认证量子计算机的构建模块
 
通过一种与仪器无关的、鲁棒的方式,贝尔定理被用于认证产生或测量量子态的构件。在本文中,Sekatski等人提出一种基于贝尔定理的方法,来认证量子信息的存储、处理和传输等相干操作。这就完成了认证量子计算机所有构件所需的工具集。本文提出的方法以其对实验缺陷的鲁棒性而独树一帜,因此可以用来认证目前的量子器件是否具有资格被用于未来量子计算机中。(马宇翰)
 
Certifying the Building Blocks of Quantum Computers from Bell’s Theorem
 
Pavel Sekatski, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 180505 (2018)
 
 
 
具有可调时间关联的信息机的实验实现
 
Admon等人在实验上实现了麦克斯韦妖,它把通过测量获得的信息转换为功。作者们的实验装置由充满流动流体的通道中的胶体颗粒组成。由光产生的势阱用于约束颗粒,防止它们被流体带走。然后,胶体粒子在边界附近做有偏布朗运动运动。粒子的位置是周期性测量的。当粒子被发现离势垒足够远时,通过在上游移动势垒同时保持与粒子的给定最小距离来施加反馈。在稳态下,这个测量和反馈回路的净作用是引导粒子向上游,同时对粒子施加很少的直接功。这个关于麦克斯韦妖的干净的例子也自然地在一个参数体系中操作,其中连续测量结果之间的相关性很重要。有趣的是,他们发现了输出功率和效率之间的权衡关系。在准静态操作条件下,效率是最大的;而当测量非常频繁时,输出功率和信息获取率是最大的。(马宇翰)
 
Experimental Realization of an Information Machine with Tunable Temporal Correlations
 
T. Admon, S. Rahav, and Y. Roichman
 
Phys. Rev. Lett. 121, 180601 (2018)
 
 
引力与天体物理
 
导读:郭敏勇;责编:高思杰
 
对近期暗物质直接搜索的无基准预测估计
 
对暗物质(DM)搜索信号辨别能力的预测通常受限于一组任意的基准点。文章中,基于标准假设检验,作者引入了一种无基准预测的新方法,可以对暗物质模型的唯象区分进行详尽的探索以及实现可视化。使用这种方法,他们重新估计了未来用氙和氩直接进行DM搜索的信号辨别能力。他们量化了可以区分不同的非相对论性有效算符,千分之一电量的暗物质以及磁偶极子的参数空间,而且找到了暗物质质量的上限。他们发现,有氩靶存在时会大大改善重建暗物质特性的前景。他们还发现,仅在DM质量在20-100GeV范围内的小区域内,而且DM-核子散射截面低于当前界限的几个因子时,近期的氙和氩探测器可以同时区分出DM-核子相互作用和DM质量。在所有其它区域中,只能得到一个或者另一个。
 
Assessing Near-Future Direct Dark Matter Searches with Benchmark-Free Forecasting
 
Thomas D. P. Edwards,  et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 181101 (2018)
 
 
原子核物理
 
责编:耿立升
 
过渡辐射作为手征反常的探针
 
穿过手征物质和真空之间边界的快速带电粒子会发射过渡辐射。它最显著的特征-某个发射角处的共振行为以及光谱的圆极化-依赖于特定材料或者物质中手征反常的参数。手征过渡辐射可以被用来研究夸克胶子等离子体, Weyl半金属以及轴突暗物质等多种介质中的手征反常。(王亚坤)
 
Transition Radiation as a Probe of the Chiral Anomaly
 
Xu-Guang Huang and Kirill Tuchin
 
Phys. Rev. Lett. 121, 182301 (2018)
 
 
 
到双幻核100Sn的超容许a衰变
 
[编辑推荐语] 探测来自重同位素的异常快速的a发射可以导致检验原子核壳模型的新方法。
 
Auranen等人报道了108Xe→104Te→100Sn的a衰变链的首次观测。衰变到100Sn的a发射体,108Xe[Ea=4.4(2)MeV,T1/2=58+106-23ms]以及,104Te[Ea=4.9(2)MeV,T1/2<18 ns] 通过融合蒸发反应54Fe(58Ni,4n)108Xe产生, 并由反冲质量分离器以及注入-衰变关联技术进行鉴别。这是首次观测到向重自共轭原子核的a放射性。之前研究这一基本衰变模式的基准是212Po到双幻核208Pb的衰变。N=Z母核中增强的质子中子相互作用有可能导致约化a衰变宽度显著大于212Po结果的超容许跃迁。从这一衰变链中, 他们推断出108Xe或者104Te的a约化宽度比212Po的结果大5倍.(王亚坤)
 
Superallowed  Decay to Doubly Magic 100Sn
 
K. Auranen et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 182501 (2018)
 
 
原子、分子与光学
 
导读:宋新秀;责编:严运安
 
原子偶极极化率与范德华半径的
 
量子力学关系
 
原子偶极极化率α和范德华(vdW)半径RvdW是描述分子和材料中原子之间的vdW相互作用的两个关键物理量。到目前为止,它们是各自独立确定的。在这里,作者推导出量子力学关系RvdW = const×α1/7,它与基于硬球原子的经典图像的一般假设得到的结果RvdW∝α1/3明显不同。应用于氢和铀之间的72种化学元素显示,文中所得到的公式可以仅通过原子极化率作为vdW半径的统一定义。对于由原子A和B组成的vdW键合的异核二聚体,组合规则α=(αA+αB)/2提供了一种非常准确的方法来计算它们原子间的平衡距离。另外,文中所揭示的标度定律也允许人们减少经验主义并提高原子间vdW势的准确性,同时也表明量子系统中长度和体积之间存在一种非平凡关系。
 
Quantum-Mechanical Relation between Atomic Dipole Polarizability and the van der Waals Radius
 
Dmitry V. Fedorov, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 183401 (2018)
 
 
 
声子数敏感的电机械学
 
[编辑推荐语]这两个研究小组证明了他们可以通过测量振动的能量来计算冷机械振荡器中量子化振动或声子的数量。
 
作者利用4GHz跃迁频率微波超导量子比特具有的固有强非线性来直接检测和控制在25MHz振动的微机械振荡器的能量。量子比特和振荡器通过静电耦合,速率大约为2π×22MHz。在这种远离共振的情况下,量子比特频率每振荡器声子偏移0.52 MHz,约为3.7MHz量子比特线宽的14%。量子比特可作为振动能量检测器,从其线形作者提取出振荡器的声子数分布。另外,作者还通过驱动对数字状态敏感的边带跃迁并创建显著的非热态来操纵这种分布。最后,通过驱动较低频率的边带跃迁,作者冷却该振荡器并将其基态数量增加到0.48±0.13,接近其热平衡值的8倍。这些结果证明了一类新型的电机械学实验,为量子非破坏测量和非经典状态制备提供了一种很有前景的方案。
 
Phonon-Number-Sensitive Electromechanics
 
J. J. Viennot, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 183601 (2018)
 
 
 
利用相干平均法产生自旋轨道波束阵列
 
文章描述了一种可以产生由耦合到二能级系统的轨道角动量(OAM)态的阵列组成波束的高度鲁棒方法,该方法适用于电磁波束和物质波束。作者还定义了用于控制和操纵阵列特征的有效协议。这些协议可用于实验实现光学自旋轨道波束阵列。文章在这里所展示的新型无源器件也是现有生产单轴OAM和自旋轨道波束的方法的一种自然替代品。本文中的技术为使用光束和粒子束研究手性和拓扑材料提供了新手段。
 
Generation of a Lattice of Spin-Orbit Beams via Coherent Averaging
 
D. Sarenac, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 183602 (2018)
 
 
 
在纳米光子腔中光学处理单个稀土离子
 
文章展示了在原钒酸钇中光谱分辨的单个Nd3+稀土离子的光谱探测。这些离子耦合到光子晶体谐振器,借由珀塞尔效应极大增强了光发射率,从而导致近辐射极限的单光子发射。实验测量到的单光子和离子之间的高耦合协同性使得我们可以观测相干的光学Rabi振荡。这可以为未来的量子网络提供光控自旋量子位、量子逻辑门和自旋光子接口。
 
Optically Addressing Single Rare-Earth Ions in a Nanophotonic Cavity
 
Tian Zhong, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 183603 (2018)
 
 
 
对光流体中Bogoliubov色散的观察
 
[编辑推荐语]在室温下,光像超流体一样通过原子蒸汽传播。
 
光量子流体是原子玻色气体的光子对应物,并且正在吸引越来越多的科研人员去探测多体物理量子现象(比如超流性)。通常使用两种不同的配置结构:非线性材料固定在光学腔内的受限几何和传播方向做系统有效时间的传播几何。在两种构型下,观察光子流体中基本激发的色散关系已被证明是一项困难的任务,少有实验实现。在这里,作者基于群速度测量提出并实现了一种测量光流体激发光谱的通用方法,并观察到类似Bogoliubov的色散,声速为流体密度的平方根。该文证明了用近共振泵浦的原子蒸汽构建的非线性系统是研究光量子流体的一种通用且高度可调的研究平台。
 
Observation of the Bogoliubov Dispersion in a Fluid of Light
 
Q. Fontaine, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 183604 (2018)
 
 
 
Casimir-Polder力中的集体效应
 
文章在相干集体状态下制备的中性二能级子量子发射器,研究其表面和系统之间涨落诱发的作用力的协同现象,表明发射器上的总Casimir-Polder力可以通过它们的相互关联来调整。特别的是,作者发现在超辐射状态和亚辐射状态下制备的一维发射体链分别经历了增强和抑制的集体真空诱导力。色散力的集体性质可理解为由促成表面修饰的共振偶极相互作用的不同过程之间的干涉所引起的。这种协作涨落力单独地依赖于发射器在共振频率处的表面响应,因此易于操纵。作者的研究结果证明了集体现象有潜力成为选择性控制真空力的新工具。
 
Collective Effects in Casimir-Polder Forces
 
Kanupriya Sinha, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 183605 (2018)
 
 
 
利用真空来控制其场致衰变
 
长期以来人们一直预测在外部电场超过超临界值的那些空间区域可以从量子真空产生永久电子-正电子对。通过数值求解狄拉克方程,本文作者证明了在目标能量下产生正电子的产率可以通过远离产生区域的第二(亚临界)电场来控制。因为第二电场可以放置在产生出来的正电子从不访问的遥远空间区域,这清楚地表明粒子对产生过程的非局部特征。这种反直觉现象可以从粒子远未产生之前真空态的修饰来理解。本文给出了粒子产生的谱的解析表达式,能描述该修饰的所有定量特征,并预测了如何利用第二个场来增加或者降低给定能量的电子-正电子产率。
 
Manipulation of the Vacuum to Control Its Field-Induced Decay
 
Q. Z. Lv, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 183606 (2018)
 
 
非线性动力学和流体力学
 
责编:兰岳恒
 
二元液滴蒸发中的密度驱动流
 
在微升液滴的蒸发过程中,人们普遍认为表面张力占主导地位,重力的影响可以忽略不计。通过首次使用旋转光学相干层析成像技术,Edwards等人报告了当蒸发的二元液滴倾斜时,流型和速度发生变化,最终表明重力效应主导了流动。Edwards等人用气相色谱法证明这些流动本质上是溶质型的,并且建立了流动相图,以说明不同流动机制发生的条件。(江柯缙)
 
Density-Driven Flows in Evaporating Binary Liquid Droplets
 
A. Edwards, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 184501 (2018)
 
 
等离子体与束物理
 
责编:陈少永
 
多电子束通过相干衍射
 
辐射的方式激发光腔
 
Honda等人利用由超导直线加速器产生的高重复率且低发射率的短束电子束,实现了太赫兹光谱范围内光腔的受激激发。电子束穿过腔镜中小孔而不被破坏。在扫描腔体往返长度时,观察到一个尖锐的共振结构,该结构的发现意味着可通过相干衍射辐射实现宽带受激辐射。秦晨晨,牟茂淋
 
Stimulated Excitation of an Optical Cavity by a Multibunch Electron Beam via Coherent-Diffraction-Radiation Process
 
Yosuke Honda, et al
 
Phys. Rev. Lett. 121, 184801 (2018)
 
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.184801
 
 
碰撞等离子体激波和互穿超音速
 
等离子体流中离子加热的实验测量
 
Langendorf等人介绍了由两股同轴喷射等离子体射流斜交合并而成的碰撞等离子体激波和互穿超音速等离子体流引起的离子加热的时间分辨测量方法。研究分别使用了四种喷射物质(N,Ar,Kr和Xe)来验证实验结果。在射流间相互渗透较小的条件下,所观察到的离子温度峰值与碰撞等离子体激波理论的预测一致。碰撞等离子体激波理论表明,显著高于电子温度,但在经典离子-电子温度-平衡时间尺度,会有所降低。在射流间存在显著相互渗透的条件下,不会明显地形成激波,所观察到的峰值仍然可观,其值高于电子温度,但远低于碰撞等离子体激波理论所预测的峰值。此外,实验结果还与多流体等离子体模拟结果进行了比较。(阳青程,牟茂淋)
 
Experimental Measurements of Ion Heating in Collisional Plasma Shocks and Interpenetrating Supersonic Plasma Flows
 
Samuel J. Langendorf, et al
 
Phys. Rev. Lett. 121, 185001 (2018)
 
 
 
二维和三维烧蚀瑞利-泰勒不稳定性的
 
自相似多模气泡前沿演化
 
Zhang等人对多模烧蚀瑞利-泰勒不稳定性(ARTI)的自相似非线性演化在二维和三维情况下进行了数值研究。结果表明,非线性多模气泡前沿渗透遵从αbAT(∫g1/2dt)2的定标律,其中αb与初始条件和烧蚀速率相关。αb的值由气泡竞争理论决定,这意味着,在相同初始扰动幅值条件下,质量烧蚀使αb相对于经典值减小;此外,在较大初始振幅条件下,烧蚀驱动的涡量增加了气泡速度,并阻止了从气泡竞争到气泡合并机制的转变,从而导致αb高于经典值。由于αb与初始扰动和涡量产生之间的依赖关系,所以对于大的初始扰动,非线性ARTI的烧蚀致稳并没有之前预期的那样有效。(王科力,牟茂淋)
 
Self-Similar Multimode Bubble-Front Evolution of the Ablative Rayleigh-TaylorInstability inTwo and Three Dimensions
 
H. Zhang, et al
 
Phys. Rev. Lett. 121, 185002 (2018)
 
 
凝聚态物理:结构
 
责编:马天星
 
超流量子气体中时空晶体的观测
 
[编辑推荐语]可以在超流量子气体中通过同时打破分离的时间和空间平移不变性创造时空晶体。
 
时间晶体是物质的一个相,其驱动哈密顿量的离散时间对称性是自发破缺的。在驱动自旋系统的几个实验中已经观察到离散时间对称性的破缺。在本文中,Smits等人使用超冷原子观察时空晶体,其中空间和时间的周期结构在实验图像中是直接可见的。超流体中的物理机制可以用第一性原理描述,并允许清楚地识别导致自发对称性破缺的机制。作者的研究结果为利用时空晶体发现新的非平衡物质相铺平了道路。(黄通昀)
 
Observation of a Space-Time Crystal in a Superfluid Quantum Gas
 
J. Smits, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 185301 (2018)
 
 
 
s波超流中的Majorana双重态,
 
平带和狄拉克节点
 
受镜像和时间反演对称保护的拓扑超流是拥有MajoranaKramers对(MKPs)的奇异态,但长期以来,非常规配对的要求阻碍了其实现。Hu等人提出,通过利用具有自旋轨道耦合的两个耦合的一维超冷原子费米气体中s-wave配对与突发的镜像和时间反演对称性,来实现这种拓扑超流。通过将这些系统堆叠成二维,作者发现具有拓扑和狄拉克节点的超流拥有独特的MKP平带。他们证明了突发对称性会使MKP及其平带稳定而阻止配对涨落,否则会湮灭Majorana对。利用新实验的发展,他们的方案为探索MKP及其在量子计算中的应用提供了一个独特的平台。(黄通昀)
 
Majorana Doublets, Flat Bands, and Dirac Nodes in s-Wave Superfluids
 
Haiping Hu, Fan Zhang, Chuanwei Zhang
 
Phys. Rev. Lett. 121, 185302 (2018)
 
 
 
韧性和自愈合水凝胶中的
 
多尺度能量耗散机制
 
了解形变过程中的能量耗散机制对韧性软材料的设计和应用至关重要。Cui等人发现在一类韧性和自愈合的聚两性电解质水凝胶中,形成了由硬网络和软网络组成的双连续网络结构,这与水凝胶的化学细节无关。双网络效应起重要作用的多尺寸内破裂过程是造成这些水凝胶大能量消耗的原因。(黄通昀)
 
Multiscale Energy Dissipation Mechanism in Tough and Self-Healing Hydrogels
 
Kunpeng Cui, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 185501 (2018)
 
 
 
低连通性玻璃中玻色子峰从弹性解耦
 
在本工作中,Giuntoli等人进行了聚合物玻璃和晶体以及相应原子系统中,振动和弹性性质的分子动力学模拟。证明了低频玻色子峰(BP)区域态密度的弹性尺度在晶体和玻璃中是不同的。此外,作者还观察到,聚合物玻璃的BP几乎与原子玻璃的BP一致,从而揭示了聚合物玻璃的BP与弹性的不同,它仅由非成键的相互作用调控。本文的研究结果表明,在高度连通的系统中讨论的宏观弹性对BP的解释并不适用于连通性较低的系统。(张陆峰)
 
Boson Peak Decouples from Elasticity in Glasses with Low Connectivity
 
A. Giuntoli and D. Leporini
 
Phys. Rev. Lett. 121, 185502 (2018)
 
 
 
吸引作用的胶体中两步屈服微观理论
 
吸引胶体中存在着两种截然不同的无定形固相:由颗粒键合而产生的吸引玻璃相和由硬核排斥引起的排斥玻璃相。通过微观平均场方法,作者分析了这两种相对准静态剪切应变的响应过程。Altieri等人发现,两个不同的相互作用长度尺度的存在,可能导致一个两步屈服过程的突变,这可能与滞后应力响应或可逆但非单调的应力-应变曲线有关。于是得到了一个广义的相图,描述了两条不同的屈服曲线,一条逆屈服曲线和一条区分滞后响应与可逆响应机制的临界曲线。该结果可以适用于一大类具有两种不同的相互作用长度尺度的玻璃材料中。(张陆峰)
 
MicroscopicTheory of Two-Step Yielding in Attractive Colloids
 
Ada Altieri, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 185503 (2018)
 
 
 
振荡电场在液体中产生长程稳定场
 
在本工作中,作者证明了如果在液体中存在具有不平衡迁移率的离子,则施加振荡电场时,会产生长程稳定的场。其中,双离子谐振子揭示了当中蕴含的物理,是它们产生了非对称的整流场,其持续的时间平均时长为外加电场场强的平方。通过完全非线性电动力学模型的计算,作者证实了该双离子模型,并进一步证明了稳定场在两个电极之间的较大距离上延伸。实验上,微米级胶体悬浮高度与施加频率的测量,也符合了数值的预测。迄今为止,这一出人意料的长程稳定场的发现,将有助于解释关于粒子的行为和响应,于振荡电势的电诱导流体流动等具有深远意义的问题。(张陆峰)
 
Oscillating Electric Fields in Liquids Create a Long-Range Steady Field
 
S. M. H. Hashemi Amrei, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 185504 (2018)
 
 
 
单晶H2OD2O六角冰相的热膨胀
 
本文报道了相对分辨率为1ppb的H2O和D2O六角冰相的热膨胀。H2O六角冰相的热膨胀系数在101K出现大的转变,而D2O六角冰相的热膨胀系数在125K出现大的转变,这是迄今为止所知的最大同位素效应之一。与声子耦合不良的旋转振荡模式,即晶格孤子,可能是导致这一同位素效应的主要原因。(王婧瑶)
 
Thermal Expansion of Single-Crystal H2O and D2O Ice Ih
 
David T. W. Buckingham, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 185505 (2018)
 
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.185505
 
 
高维度随机长度无规行走和有限尺度标度律
 
作者通过引入随机长度无规行走模型并对其进行精确研究,来解决有关高维度Ising模型的有限尺度标度律(FSS)问题的长期争论。他们证明了该模型表现出与先前推测出的用于自维持行走和高维晶格中有限格子上Ising模型相同的通用FSS行为。结果表明,无规行走模型的平均步长控制相应格林函数的标度律行为。他们通过对Ising模型进行广泛的Monte Carlo模拟以及在具有自由和周期边界的五维超立方晶格上进行自回避无规行走,来数值证明他们严格发现的普遍性。(王婧瑶)
 
Random-Length Random Walks and Finite-Size Scaling in High Dimensions
 
Zongzheng Zhou, et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 185701 (2018)
 
 
 
理解由二聚化导致的表面扩散性增强
 
在不是低覆盖率情形下,分子的集体扩散可能会增强物质的输运。作者分别研究了Ag(100)上的CO二聚体以及低铜Ag(100)合金上的CO二聚体,并将CO二聚体的扩散和旋转运动进行分离,揭示了分子二聚体的迁移率增强现象。记录温度处在15到25 K间的扫描隧道显微镜的影像,作者确定了元素Ag(100)上二聚体扩散的活化能为(40±2)meV,远小于单体扩散的活化能(72±1)meV。合金化的Cu原子降低二聚体迁移率,有助于确定它们的旋转势垒为(39±3)meV。解耦不同的自由度表明,旋转运动是二聚体扩散性增强的主要原因。(王婧瑶)
 
Understanding the Enhancement of Surface Diffusivity by Dimerization
 
C. Zaum and K. Morgenstern
 
Phys. Rev. Lett. 121, 185901 (2018)
 
 
凝聚态物理:电子性质
 
责编:袁喆,马锋杰,沈卡
 
实验观察反演对称块体2H-WSe2中隐藏的贝里曲率
 
单层过渡金属二硫化物中由于反演对称性的破缺以及强自旋轨道耦合作用,导致体系中存在谷自旋霍尔效应。本文中,作者利用角度分辨光发射技术,研究2H-WSe2中隐藏的贝里曲率。结果显示,提取的谷和谷的圆二色性(circular dichroism, CD)信号几乎相同, 但由谷指数决定的符号却相反。同时,观察到两个自旋分裂带的符号是相同的,表明其是独立于自旋状态的。为了验证该结果是否真的代表层内隐含的贝里曲率,作者采用紧束缚密度泛函计算的方法,计算单层WSe2的贝里曲率和局部轨道角动量。结果发现,测量到的结果与计算得到的贝里曲率以及局部轨道角动量近似成正比,进一步证明了该实验观测的合理性。(刘钱)
 
Experimental Observation of Hidden Berry Curvature in Inversion-Symmetric Bulk 2H-WSe2
 
S. Cho et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 186401 (2018)
 
 
 
电子掺杂在Kagome量子自旋液体的
 
能隙中产生局域态
 
通过对量子自旋液体掺杂载流子来实现高温超导性的设想已经被提出很久了。然而Kagome羟基卤化物材料中电化学嵌入研究表明样品在很大的电子掺杂范围内仍然保持绝缘。本文中Liu等人采用经自相互作用修正的第一性原理密度泛函计算证明了令掺杂到多种Zn-Cu羟基卤化物的电子保持局域特征的机制。这种机制与掺杂剂的化学特性无关,关键是极化子态的形成。作者把相同的理论方法用于铜酸盐Nd2CuO4中的电子掺杂情形,发现当初始形成的极化子演变成扩展态的时候可以准确地给出一个金属态。这些发现解释了量子磁体大范围掺杂下的绝缘行为,也意味着实现金属型自旋液体需要寻找新型主体材料。(李松)
 
Electron Doping of Proposed Kagome Quantum Spin Liquid Produces Localized States in the Band Gap
 
Qihang Liu et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 186402 (2018)
 
 
 
Moiré谷电子学:
 
实现拓扑螺旋通道的密集阵列
 
Hu等人提出一个通用且稳固的平台,Moiré谷电子学,在室温下实现真实材料中一维拓扑螺旋通道的高密度阵列。他们通过对hBN上一维长周期Moiré图案的石墨烯的第一性原理计算阐述了这个想法。通过计算与Moiré图案中各种局域石墨烯/hBN堆叠相关的电子结构的Berry曲率和拓扑电荷,揭示出螺旋通道阵列本质上源于Moiré图案对局域拓扑序的周期性调制。对于独立悬空的波状Moiré图案,两组螺旋通道阵列在面外空间分离,验证了Moiré拓扑的结构稳健性。通过研究各种Moiré系统,他们示范了Moiré谷电子学的一般性和实验可行性。(方子明)
 
Moiré Valleytronics: Realizing Dense Arrays of Topological Helical Channels
 
Chen Hu et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 186403 (2018)
 
 
 
ν=2+6/13的分数量子霍尔效应:
 
第二朗道能级的部分子范式
 
分数量子霍尔效应(FQHE)平台在ν= 2 + 6/13
 
Fractional Quantum Hall Effect at ν=2+6/13: The Parton Paradigm for the Second Landau Level
 
Ajit C. Balram et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 186601 (2018)
 
 
 
高温马约拉纳角态
 
马约拉纳束缚态通常出现在一维拓扑超导体的末端。基于一个新的块体不变性量和直观的边界论证,Wang等人展示了与s±波超导体近邻的二维正方形拓扑绝缘体的每个角上都会出现一个马约拉纳Kramers对。作者得到能够描述晶体对称性和边缘取向弛豫的相图并提出了两套在候选材料中实验验证的方案。作者提出的这个方案提供了一种探索更高阶和更高温度非阿贝尔准粒子的途径。(李松)
 
High-Temperature Majorana Corner States
 
Qiyue Wang et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 186801 (2018)
 
 
 
源于非相干金属的大能隙比相干超导
 
有着与温度线性相关电阻率的神秘非相干金属正常态在强关联超导体中是很常见的。近期,能够展现非相干金属输运性质的微观模型方面的进展为我们提供了在连接Sachdev-Ye-Kitaev量子点框架下研究具备非相干金属态到超导态相变行为的新模型的机会。量子点中的局域Sachdev-Ye-Kitaev相互作用会在正常态中引发非相干金属输运,同时局域吸引作用会驱动超导性。作者通过计算发现了源于非相干金属正常态的超导的两个特征。其一,尽管在正常态中没有准粒子,超导态仍旧表现出相干超流输运的特性。第二,相对于BCS理论计算的零温超导能隙与相变温度的比值3.53,非相干金属格林函数的非准粒子本质会使得这个比值大大增强。(李松)
 
Coherent Superconductivity with a Large Gap Ratio from Incoherent Metals
 
Aavishkar A. Patel et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 187001 (2018)
 
 
 
准一维超导K2Cr3As3中的阻挫结构不稳定性
 
Taddei等人使用密度泛函理论和中子总散射研究了存在阻挫结构不稳定性的准一维超导体K2Cr3As3。作者的第一性原理计算给出了显著的声子不稳定性,在能量最小的情况下这对应于阻挫正交变形。作者在研究中子衍射时发现了有着反常温度依赖性的巨大原子位移参数,这源于CrAs子晶格的高度局域正交变形和耦合钾原子位移。这些结果表明K2Cr3As3真正的相图受到结构、电声耦合和磁性相互作用的影响,比之前所设想的要复杂得多。(李松)
 
Frustrated Structural Instability in Superconducting Quasi-One Dimensional K2Cr3As3
 
Keith M. Taddei et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 187002 (2018) 
 
 
 
Hund金属超导体的配对机理
 
与超导间隙对临界温度比的普遍性
 
Lee等人分析了一个包含Hund金属物理成分的简单模型,其中具有指数关联 (Ω0/|Ω|)γ(γ大于1)的局域自旋涨落与电子准粒子发生相互作用。虽然临界温度和能隙随着改变参数而显著变化,但2Δmax/ kBTc仍然接近BCS值的两倍,这与铁基超导体(FeSC)中的实验观察结果一致。(方子明)
 
Pairing Mechanism in Hund’s Metal Superconductors and the Universality of the Superconducting Gap to Critical Temperature Ratio
 
Tsung-Han Lee et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 187003 (2018)
 
 
 
固体非中心对称磁性纳米结构中的
 
静态Hopf孤子和Knotted
 
拓扑孤子存在于许多物理系统的有效场论中。二维拓扑孤子,通常称为斯格明子(Skyrmions),在固体磁纳米结构中得到了广泛的研究,并有望用于新型自旋电子学器件中。然而,被称为hopfions的三维拓扑孤子并没有被证明是固态磁性材料中稳定的空间局域结构。基于此,作者在具有界面垂直磁各向异性的非中心对称磁纳米结构中模拟具有不同Hopf指数值的静孤子的存在情况。结果显示,在表面各向异性,Dzyaloshinskii-Moriya相互作用以及纳米结构的几何结构共同作用下,体系中是可以具有稳定存在的hopfions。同时,作者用计算机模拟洛仑兹透射电子显微镜图像演示了在自然场线中的结(knots),以指导其在实验中的发现。(刘钱)
 
Static Hopf Solitons and Knotted Emergent Fields in Solid-State Noncentrosymmetric Magnetic Nanostructures
 
J. B. Tai and I. I. Smalyukh
 
Phys. Rev. Lett. 121, 187201 (2018)
 
 
 
铁磁体和亚铁磁体中相互作用磁振子
 
达到玻色-爱因斯坦凝聚的稳定机制
 
玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)自从被提出来后,在物理学的各个领域都得到了广泛的研究。本文中,作者在铁磁体和亚铁磁体中提出了具有相互作用的磁振子实现玻色-爱因斯坦凝聚的稳定机理。通过研究磁振子-磁振子相互作用对铁磁性材料和亚铁磁材料实现BEC的影响,作者表明只要体系中存在单个子晶格结构,那么即使在磁振子-磁振子相互作用下,BEC也可以稳定存在。但是在没有子晶格结构的铁磁体中,将变得不稳定。这说明子晶格结构的存在是稳定相互作用磁振子BEC的关键,而与铁磁体和亚铁磁体中的自旋排列无关。该研究结果可以解决钇铁石榴石中磁振子BEC实验与理论的矛盾,也为理解包括相互作用效应在内的磁振子BEC的物理学性质提供了一个起点。(刘钱)
 
Stabilizing Mechanism for Bose-Einstein Condensation of Interacting Magnons in Ferrimagnets and Ferromagnets
 
N. Arakawa
 
Phys. Rev. Lett. 121, 187202 (2018)
 
 
 
超导体中涡旋液体介导的非局域自旋输运
 
[编辑推荐语] 基于超导涡旋作为自旋信息的载体,提出了一种非局域的自旋传输方法。
 
超导性是指电荷的集体输运,其稳定性取决于序参量的拓扑结构。而超导体中的涡旋一直是电荷传输过程中的耗散源,影响着体系的输运性能。基于此,作者建议使用移动涡旋作为稳定的拓扑信息载流子。作者首先在磁性绝缘体和超导体之间的界面,通过界面自旋霍尔效应,建立了自旋与涡旋之间相互转换的唯相理论,并指出涡旋携带的电荷具有拓扑性。然后,作者证明了超导体中的涡旋液体通过编码涡旋中的自旋信息可以作为两个磁绝缘体之间的自旋输运通道。两个磁绝缘体之间的由涡旋传递的非局域信号随着分离的距离显示代数衰减,与准粒子传递的自旋输运的指数衰减形成对比。该结果为讨论有序材料的远程传输特性提出了新方法。(刘钱)
 
Nonlocal Spin Transport Mediated by a Vortex Liquid in Superconductors
 
S. K. Kim et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 187203 (2018)
 
 
 
磁化动力学的量子杂质弛豫测量法
 
量子杂质的原型,例如钻石中的NV和SiV色心,由于其微创性和高分辨率的磁场和热感应而引起了很多关注。在这里,Flebus等人研究了量子杂质弛豫作为一种探测磁绝缘体中集体激发的方法。他们发展了一个通用框架,通过磁系统发出的噪声将可测量的量子杂质弛豫速率与磁系统的固有动力学性质联系起来。特别地,他们发现量子杂质弛豫测量法对动力学相变(例如磁子凝聚)敏感,并且可以用于检测铁磁和反铁磁系统中相应的相干自旋动力学特征。最后,他们讨论了非干扰式探测自旋传输机制并测量磁绝缘体中相关输运系数的前景。(方子明)
 
Quantum-Impurity Relaxometry of Magnetization Dynamics
 
B. Flebus and Y. Tserkovnyak
 
Phys. Rev. Lett. 121, 187204 (2018)
 
 
 
MnSi中Skyrmion晶格
 
对立方磁晶各向异性的响应
 
Adams等报导了在磁场方向系统变化下,MnSi球形样品中Skyrmion晶格取向的高精度小角中子散射。对于所有的场方向,Skyrmion晶格可能可以被作为一种三Q态来准确描述,其中模量|Q|是恒定的,并且波矢量围成120°的刚性角。沿着,和的大圆,Skyrmion格子平面的法线相对于场方向系统地变化±3°,而对于沿着⟨100⟩的磁场,面内对齐表现出15°的再定向。他们的观察在定性和定量上与有效势非常一致,这个有效势由四面体点群T的对称性决定,包含了自旋轨道耦合中截至六阶的贡献,对MnSi中Skyrmion晶格上立方磁晶各向异性的效应给出了充分考虑。(方子明)
 
Response of the Skyrmion Lattice in MnSi to Cubic Magnetocrystalline Anisotropies
 
T. Adams et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 187205 (2018)
 
 
 
ZrTe5由温度驱动的拓扑相变
 
和中间狄拉克半金属相
 
拓扑绝缘体的发现,促使越来越多的目光被投放到新拓扑相的探索中。本文中,作者通过对ZrTe5的红外光谱研究,证实了理论提出的由温度驱动拓扑量子相变的相关现象:即在峰值温度Tp附近,体系将从弱拓扑态转变为强拓扑态并伴随有中间狄拉克半金属态。研究显示,在块体电子结构中,能带敏感依赖于温度的演化。作者发现,在峰值温度Tp附近,带隙是闭合的,且光学响应表现出狄拉克半金属态的特征,即一种线性频率相关的光电导率外推到原点(减去弱Drude响应后)。这一发现进一步加深了对ZrTe5中拓扑性质的研究。(刘钱)
 
Temperature-Driven Topological Phase Transition and Intermediate Dirac Semimetal Phase in ZrTe5
 
B. Xu et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 187401 (2018)
 
 
软物质与交叉科学
 
导读:张鑫洁  责编:严钢
 
活性细菌悬浮液中的流体动力学作用、
 
隐秩序以及集体行为的涌现
 
深入研究生物系统的群体行为的涌现不仅要刻画组分间的微观相互作用,而且需要理解决定多体系统行为的动力学原理。本文采用实验与理论相结合的方法,研究了典型活性物质系统(Magnetotacticum magneticum AMB-1悬浮液)中的微观流体动力学作用和多体自发自组织的起源。作者发现,基于Stokeslet及其图像系统的简单分析模型,可以很好地描述由AMB-1的鞭毛活动所引起的有吸引力的流体动力学相互作用。该相互作用与偶极磁斥力共同导致了自发自组织细菌群的形成,菌群大小与时间呈对数的依赖关系。进一步地,作者通过可计算信息密度确定了自组织菌群相和无序相的边界。
 
Hydrodynamic Interactions, Hidden Order, and Emergent Collective Behavior in an Active Bacterial Suspension
 
C. J. Pierce et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 188001 (2018)
 
 
 
具有吸引相互作用的粒子的
 
阻塞和刚性团簇
 
[编辑推荐语]一个大的粒子系统,即使只存在很弱的吸引作用,也会产生与纯排斥粒子构成的系统完全不同的阻塞行为。
 
大多数关于阻塞相变的理论和数值研究都只考虑纯排斥粒子的非热填充。而对于真实的复杂流体和软固体而言,粒子间也普遍存在吸引作用。少量的近期研究表明,强吸引作用的粒子阻塞属于与纯排斥粒子阻塞和刚性逾渗不同的一个普适类。然而,如何预测一个给定的粒子系统属于哪个普适类仍不清楚。Koeze等人考察了具有不同强度的吸引作用的粒子,着重研究了阻塞形成过程中的刚性团簇的统计性质,发现确实存在两种截然不同的阻塞现象:纯排斥和弱吸引系统通过一阶相变形成阻塞,即刚性团簇没有缓慢增长的过程;而强吸引系统的阻塞形成则是典型的二阶相变,刚性团簇的平均规模缓慢增长直到在临界填充率处发散。作者进一步发现,弱吸引系统的行为是由有限尺度效应导致的,因此当系统规模足够大时,只要吸引作用的强度不为零,则系统的阻塞行为总是归于强吸引普适类。
 
Sticky Matters: Jamming and Rigid Cluster Statistics with Attractive Particle Interactions
 
Dion J. Koeze et al.
 
Phys. Rev. Lett. 121, 188002 (2018)
 
 
 
 
 
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