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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摘要对本期所有的快报文章进行中文导读。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:涂展春

利用Qudits违背导引不等式

实现最大随机性产生

Skrzypczy和Cavalcanti考虑了基于违反爱因斯坦-波多斯基-罗森(EPR)导引不等式的随机性的产生,这被称为单边设备无关随机性产生。作者证明,在最简单的情况下,即只涉及两个缔约方和两个针对具有d个输出的未特征化方的测量,存在EPR导引不等式。对这一不等式的最大违背保证了最大的随机性产生,等于log(d)个比特。作者进一步证明,所有纯的部分纠缠的全施密特秩态都能最大程度地违背这些不等式,从而导致单边设备无关设置下的最大随机性产生。更一般地,可以生成的随机性的量是由半定规划(semidefinite program)给出的,它可以被用来研究这些不等式的非最大违反行为。(马宇翰)

Maximal Randomness Generation from Steering Inequality Violations Using Qudits

P. Skrzypczyk and D. Cavalcanti

Phys. Rev. Lett. 120, 260401 (2018)

在大尺度手征量子行走中测量卷绕数

Xu等人报道了在单手征量子行走中卷绕数(Winding Number)的实验测量。从根本上讲,离散时间量子行走中的自旋轨道耦合是基于时间-多路技术方案的双折射晶体共线切割来实现的。本文给出的的协议是紧凑的,避免了额外的损失,使其适合于实现大尺度下真正的单光子量子行走。采用了一个信号单光子作为“行者”,并利用具有高时间分辨的单光子探测,作者实现了一个保真度高达0.948±0.007的50步Hadamard离散时间量子行走。特别是,通过局部断层扫描每个格点,作者可以重建从单一晶格格点开始行走的光子“行者”的完整的波函数。经过傅立叶变换,可以得到准动量空间中的波函数。基于这种方式,作者提出了在准动量空间中重构系统哈密顿量本征向量的方法。同时在存在手征对称性的情况下,这种方法可以直接读出不同拓扑相(平凡和非平凡)的卷绕数。通过引入非等效时间框架,作者证明了周期驱动系统中的整个拓扑相也可以用两个不同的卷绕数来表征。本文的方法也可以拓展到高卷绕数的情形。(马宇翰)

Measuring the Winding Number in a Large-Scale Chiral Quantum Walk

Xiao-Ye Xu, Qin-Qin Wang et al

Phys. Rev. Lett. 120, 260501 (2018)

利用六个具有三自由度光子形成的

18量子比特纠缠态

多粒子多自由度的完全控制是量子信息处理的一种基本能力。Wang等人从实验上展示了一个18量子比特Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)纠缠态,这是通过同时利用六个具有三个不同自由度的光子实现的。这三个自由度分别是光子的路径、偏振和轨道角动量。作者开发了高稳定性干涉仪,用于在光子的不同自由度之间的可逆量子逻辑运算,其精度和效率接近于1。这一干涉仪能够同时读出由18量子比特态形成的218=262144种输出结果组合。实验测量得到的态保真度为0.708±0.016,证实了18个量子比特都真正的纠缠在了一起。(马宇翰)

18-Qubit Entanglement with Six Photons’ Three Degrees of Freedom

Xi-Lin Wang, Yi-Han Luo et al

Phys. Rev. Lett. 120, 260502 (2018)

基于测量过程的高效量子机器

Elouard和Jordan设计了一种完全由对量子粒子的位置测量来驱动的量子机器。这种机器通过移动受力约束的量子粒子而做功。与经典的信息驱动机器(例如麦克斯韦妖)不同,这种机器不从热源中提取能量,而是直接从观测过程中获取能量。这一观测过程伴随着粒子部分波函数的塌缩。作者展示了做功过程的结果并给出了机器不同参数值对应的效率。本文的研究发现,当在一次测量后的末态刚好对应着机器下一次循环的初态,同时其他输出保持原始状态几乎不变时,这种机器的效率可以接近1。(马宇翰)

Efficient Quantum Measurement Engines

Cyril Elouard and Andrew N. Jordan

Phys. Rev. Lett. 120, 260601 (2018)

基于平衡的自旋态的普适量子测磁学

Troiani等人提出了估计磁场强度和方向的度量方案,同时他们展示了在热平衡中可以通过探究带有任意自旋的磁场可能来实现量子增强的精度。当考虑量子费希尔信息时,他们导出了最终可达到精度的一般形式。研究表明最优可观测量对应于沿着温度相关方向上的自旋投影,并且通过系综测量,可获得最大精度的参数估计。最后,作者证明他们方案的鲁棒性与自旋投影偏离最优方向的程度负相关。(刘宁)

Universal Quantum Magnetometry with Spin States at Equilibrium

F. Troiani and M. Paris

Phys. Rev. Lett. 120, 260503 (2018)

在电路量子电动力学系统中

区分相干光子和热光子噪声

在腔量子电动力学体系中,剩余腔光子中光子数的涨落由于交流斯塔克效应会引起量子比特退相位。这些多余的光子有各种各样的起源,比如热辐射、剩余的测量光子和串光。使用与传输线谐振腔耦合的一个容式分流的量子比特,Yan等人导出了一种基于由时域自旋锁定的弛豫测定重构噪声谱的方法来识别和区分相干光子和热光子。用这些测量可以把系统中限制退相位源归为热光子,而不是相干光子。通过改进在线路上通向腔的低温衰减,他们成功地抑制住剩余热光子,并且达到了T1限制的自旋回声衰减时间。自旋锁定噪声谱学技术允许宽频率通道,而且容易用作识别一般非对称非经典噪声谱的量子比特模式。(刘宁)

Distinguishing Coherent and Thermal Photon Noise in a Circuit Quantum Electrodynamical System

Fei Yan, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 260504 (2018)

在时空中的溶解:

轨迹空间中的预相变效应

Katira等人展示了在时空中系统轨迹的预相变效应,其动力学显示了在不同动力学相中的一级相变,这些效应类似于已观测到的热力学一级相变,如著名的疏水效应。他们将有限温度下的East模型作为基本例子,通过考察在活跃相中被限制在不活跃的有限时空区域的轨迹,研究了“时空溶解”的性质。他们发现,不活跃区域在活跃轨迹内的溶剂化,在动力学上等价的溶解自由能表现出两种情形:一种是“熵主导”的小溶质情形,此情形中非关联涨落足以降低溶质的活性度;另一种是“能量主导”的大溶质情形,此情形下溶质诱导的非活跃区域伴随着活跃-非活跃界面,该界面承受着动力学表面张力。这一动力学表面张力会导致一种类似于水中大量疏水物聚集的疏水坍塌现象。最后他们讨论了这些结果与慢的集体弛豫系统中动力学涨落性质之间的相关性。(刘宁)

Solvation in Space-time: Pretransition Effects in Trajectory Space

Shachi Katira, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 260602(2018)

引力与天体物理

导读:郭敏勇;责编:高思杰

气体回退导致的紧致星体合并

最近的几次引力波探测为紧致星体的合并提供了证据。然而,合并双星体的天文起源还并不清楚。由于发射引力波,恒星双体分离很远,大大超过合并所要求的距离,这就导致了所谓了最末AU疑难。在本文中,作者为双星合并提出了一种新的方式,可以解决最末AU疑难。由于会发生轻微的不成功的超新星爆炸、中微子质量损失、暖心扰动或者包络不稳定性,他们研究了气体膨胀后的双星演化。这种情况下,双星有可能被包围的气体硬化。他们利用平滑粒子流体动力学模拟,研究了冲击传播后的双星系统的演化。他们发现,当与双星结合的气体质量超过了紧致星体的气体质量,会发生明显的双星硬化。这种机制为引力波探测事件中双星合并的途径提供了新的可能。

Compact Object Mergers Driven by Gas Fallback

Hiromichi Tagawa, et al.

Phys. Rev. Lett. 120,261101 (2018)

利用国际空间站上的量热电子望远镜

将宇宙射线电子和正电子谱的测量范围

拓展到11 GeV to 4.8 TeV

截止到2017年11月份,国际空间站的量热电子望远镜展示的数据显示,宇宙射线电子和正电子谱测量范围拓展到了11GeV到4.8TeV。该分析使用了高能区域探测器的全面接收结果,数据量的收集大约是之前的两倍左右。

Extended Measurement of the Cosmic-Ray Electron and Positron Spectrum from11 GeV to 4.8 TeV with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station

CALET Collaboration

Phys. Rev. Lett. 120,261102 (2018)

GW170817对中子星的半径

和潮汐形变的新限制

在本文中,作者借助参数化研究了很多合乎物理的关于紧致星体的状态方程,组成物质要么是纯强子,要么会表现出相变。特别地,他们为有无相变创造了两类状态方程,每类状态方程含有一百万个状态方程。然后,他们借助GW170817事件,在最大质量上给出了限制(M<2.16M⊙),并给无量纲化的潮汐形变做出了约束(Λ<800),同时利用最近文献提出的关于Λ的下限,并借助每类状态方程中超过109个平衡模型,他们得到了决定恒星所有性质的配分函数,在统计学上,与其它量相比,半径最可能与恒星的任何质量相对应。用这种办法,他们推断,对于质量为1.4M⊙纯强子中子星,有2σ的置信度,半径被限制为12.00

375。另一方面,因为带有相变的状态方程允许确定的紧致星体处于所谓的“双子星”分支,在这种情况下,小半径尽管不容易产生但却是允许的,也就是说,2σ的置信度,8.53

35.5。最后,因为这些状态方程表现出对Λ的上限,观测到3.4M⊙和Λ1.7>461的双星系统,可以排除掉双子星的解。

New Constraints on Radii and Tidal Deformabilities of Neutron Stars from GW170817

Elias R. Most, et al.

Phys. Rev. Lett. 120,261103 (2018)

ΛCDM卫星星系的径向加速关系

在明亮星系中对径向加速度的测量与观察到的重子分布紧密相关,这种现象称为径向加速度关系(RAR)。但是对于质量和散射较大的星体,最近发现矮星球卫星星系违背了RAR的判断。如果被新数据证实,这个结果成为了引力理论的一个强有力的检验方式,在低加速需要非常有力的理论预测。通过使用高分辨率流体动力学模拟,他们在宇宙学的标准模型(ΛCDM)中,表明卫星系统与更明亮的系统一样也遵循相同的RAR,但是存在与星系的物理特性无关的更大的散射。在模拟中,RAR随着红移而略微演变。而且,主体的引力场引起的加速度对RAR没有影响。因为改进的牛顿动力学(MOND)导致强外部场中的星系偏离RAR,所以这个结果与改进的牛顿动力学中的外场效应形成了对比。这种差别为区分这两种理论提供一种方法。

Radial Acceleration Relation of ΛCDM Satellite Galaxies

Enrico Garaldi, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 261301 (2018)

基本粒子与场论

责编:晁伟、刘晓辉

(2+1)维量子场论真空

是什么空间几何?

在本文中,作者考虑相对论(2 + 1)维量子场理论(QFT),并研究真空自由能作为温度和空间几何的函数。作者关注平面空间任意扰动的自由标量场和狄拉克场,发现平面空间的自由能差是有限的,并且在微扰领头阶总是负的。因此自由(2 + 1)维QFT似乎总是积极地支持所有尺度上的皱折空间;这既是零温下的纯量子效应,也是高温下的纯热效应。重要的是,作者表明,即使在室温下,这种量子效应对于单层石墨烯的相对论狄拉克自由度也是不可忽略的,因此作者认为应该考虑这种真空能量效应,以便对石墨烯或类似材料的平衡配置进行适当的分析。

What Spatial Geometries do (2+1)-Dimensional Quantum Field Theory Vacua Prefer?

Sebastian Fischetti, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 261601 (2018)

软限制的矢量有效场论

在本文中,Cheung等人使用散射振幅的红外结构自下而上地提出了矢量场的有效理论。本文的研究结果采用两种截然不同的软运动学探针:分别适用于四维和一般维度的维度缩减后的多个软限制和单个软限制。两种方法都唯一地将Born-Infeld(BI)模型指定为完全由某些红外条件固定的矢量理论,这些条件概括了π介子的Adler Zero。这些软特性意味着BI理论中在壳散射振幅的新递归关系,并且表明存在更广泛的矢量有效场理论。

Vector Effective Field Theories from Soft Limits

Clifford Cheung, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 261602 (2018)

¯B0→K0Sπ+π−衰变的振幅分析和

¯B0→K0Sπ+π−衰变的CP不对称度

LHCb实验组研究了三体强子无粲衰变¯B0→K0Sπ+π-的时间积分无标记Dalitz图,其所用数据的积分亮度为3.0 fb-1。衰变振幅用isobar模型来描述。文章报道了isobar振幅对¯B0→K0Sπ+π-衰变分支比的相对贡献以及特定味振幅的CP不对称性。¯B0→K*(892)-π+和B0→K*(892)+π-衰变之间的CP不对称性被确定为-0.308±0.062。

Amplitude Analysis of the Decay ¯B0→K0Sπ+π−and First Observation ofthe CP Asymmetry in ¯B0→K∗(892)−π+

R. Aaij et al. (LHCb collaboration)

Phys. Rev. Lett. 120, 261801 (2018)

质量等级问题的离散解决方案

在本文中,Hook利用非线性实现的离散对称性提出了质量等级问题的新解决方案。离散对称性导致相消的出现,该对称由标量场的平移对称性和标量相互作用粒子的交换对称性来实现。作者展示了这个机制如何解决小质量等级问题以及产生一个轻轴子。

Solving the Hierarchy Problem Discretely

Anson Hook

Phys. Rev. Lett. 120, 261802 (2018)

Astrophobic轴子

本文提出了一类具有代依赖的已知费米子的PQ荷的轴子模型,其可以抑制轴子与核子和电子的耦合。因此放宽了天体物理对轴子的限制,允许轴子质量达到O(0.1)eV。轴子与光子耦合仍然相当大,因此下一代的helioscopes将能够探测这种情况。Astrophobia不可避免地导致轴子的味破缺耦合,因此对味破坏过程的实验限制可以提供一个补充探测手段。在大质量窗口中,astrophia轴子可能是一个可行的暗物质候选,并且也可以解释恒星中的异常能量损失。

Astrophobic Axions

Luca DiLuzio, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 261803 (2018)

¯B→Dτ−¯ντ相对于¯B→Dμ−¯νμ的软光子贡献

在本文中,作者在标准模型中计算远距离电磁(QED)对¯B0→D+τ-ντ和B-→D0τ-ντ过程分别相对于¯B0→D+μ-νμ和B-→D0μ-νμ的贡献。作者指出R(D+)和R(D0)的QED校正不可忽略,这与预期辐射修正几乎抵消了两个分支比的比率是相反的。原因是长距离QED校正取决于子粒子的质量和相对速度。作者发现对于在20-40 MeV范围内的软光子能量切割,R(D+)τ/μ和R(D0)τ/μ的理论预言分别可以被放大〜4%和〜3%。

Soft-Photon Corrections to ¯B→Dτ−¯ντ Relative to ¯B→Dμ−¯νμ

Stefande Boer, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 261804 (2018)

原子核物理

责编:耿立升

丰中子钕和钐同位素质量的精确测量及其

在理解稀土区丰度峰形成中所起的作用

本文中,Orford等人利用锎稀有同位素增殖升级(CARIBU)装置上的加拿大潘宁阱质谱仪测量了8个Nd和Sm同位素的质量。通过快中子俘获,该工作将质量测量首次推进到了与A~165处丰度峰的形成相关的原子核质量区域。作者将结果与最好地再现了通过Markov链式蒙特卡洛技术给出的这个区域所观测到的太阳系丰度的“逆向工程”质量面质量预测进行了比较。发现其测量得到的质量与“逆向工程”对中子星合并风方案的预测一致。(王亚坤、肖杨)

Precision Mass Measurement of Neutron-Rich Neodymium and Samarium Isotopes and Their Role in Understanding Rare-Earth Peak Formation

R. Orford et al.,

Phys. Rev. Lett. 120, 262702 (2018)

JYFLTRAP上丰中子稀土同位素

质量的精确测量:

减弱的中子对以及对r过程计算的影响

r过程稀土区丰度峰敏感地依赖于天体条件以及这个区域原子核结构的微妙变化。M. Vilen等人通过在JYFLTRAP双潘宁阱上的精确质量测量,朝着阐明原子核结构以及降低r过程计算不确定性方面迈出了重要的一步。作者首次测量了158Nd,160Pm,162Sm以及164-166Gd的质量,并显著提高了156Nd,158Pm,162,163Eu,163Gd以及164Tb质量的测量精度。得到了双中子分离能S2n以及中子对能度量Dn。发现数据不支持N=100处亚壳的存在,并且中子对相互作用比理论模型的预测要弱。作者还研究了这些数据对r过程计算的影响。发现质量的显著改变导致元素丰度分布更加光滑。这与观测到的太阳系r过程丰度相符。(王亚坤、肖杨)

Precision Mass Measurements on Neutron-Rich Rare-Earth Isotopes at JYFLTRAP:Reduced Neutron Pairing and Implications for r-Process Calculations

M. Vilen et al.,

Phys. Rev. Lett. 120, 262701 (2018)

原子、分子与光学

导读:宋新秀;责编:严运安

水中盐引导的长程到短程的取向过渡

[编辑推荐语]当添加盐时,水溶液中水分子的构型从长程3D堆叠模式转变为短程2D径向模式。

本文利用直角构型下偏振分辨的二次谐波散射来研究水的长程定向组织。当添加盐时发现纯净水取向组织之间从水平分子取向分布到径向分子取向分布的转变。作者使用二次谐波散射响应的分子模型来定量描述了这两个取向相位。本文还观察到,纯水相中存在的长程相关性突然消失,且随着盐浓度增加,则由以离子为中心的较短程相关性代替。

Salt-induced Long-to-Short Range Orientational Transition in Water

J. Duboisset and P. Brevet

Phys. Rev. Lett. 120, 263001 (2018)

利用少周期近红外激光脉冲

研究D+ 2的强场傅立叶变换振动光谱

本文利用强近红外少周期激光脉冲产生的泵浦探针来监测D2的光电离和之后产物D+2的解离。文中实验记录下来的D+2和D+生成量的泵浦探针延迟时间达到527ps,呈现的振荡结构反映出D+2的振动波包的运动;并且时域数据的傅里叶变换则揭示了振动能级分离具有0.0002-0.0097cm-1不确定性,表明强场泵浦-探针测量可以被应用于研究分子离子的高分辨率光谱学。

Strong-Field Fourier Transform Vibrational Spectroscopy of D+ 2 Using Few-Cycle Near-Infrared Laser Pulses

Toshiaki Ando, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 263002 (2018)

锘的第一电离势的精密测量

控制一种元素化学行为的最重要的原子属性之一就是去除其最小束缚电子所需要的能量,称为第一电离势。对于最重的元素,这个基本量受到相对论效应的强烈影响,从而导致了它们独特的化学性质。本文开发了一种原子时间尺度的激光光谱方法,并将其用于探测接近电离阈值的中性锘的光谱。这里通过测量Rydberg系列收敛所测定的锘的第一个电离势达到非常高的精确度,即6.62621±0.00005eV。该项研究工作为最先进的考虑相对论和量子电动力学效应的多体原子建模提供了一个严格的基准,为唯有从重离子加速器设施获得的元素原子性质的高精度测量铺平了道路。

Precision Measurement of the First Ionization Potential of Nobelium

P. Chhetri, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 263003 (2018)

晶格振动干涉测量的实验演示

本文通过实验展示了一个晶格振动干涉仪。原子被俘获在红色失谐光学晶格的Bloch基态。基于dcrab算法的闭环优化协议,作者对晶格进行相位调制(摇动)以改变原子的动量状态。通过这种方式,作者实现了一个原子束分光器,并构建了五个不同询问时间TI的干涉仪。晶格振动干涉仪测量的灵敏度显示为TI2尺度,这与理论模拟相一致。最后,本文证明了在有偏置信号的情况下,作者可以测量施加信号的符号并优化干涉仪。

Experimental Demonstration of Shaken-Lattice Interferometry

C. Weidner and D. Anderson

Phys. Rev. Lett. 120, 263201 (2018)

腔内超冷玻色子的自适应Floquet动力学

量子系统在系统参数周期性调制下的Floquet动力学为设计具有奇异性质的新量子物质提供了强大的工具。虽然系统动力学得到了显着改变,但周期性调制本身通常是外部诱导的,与Floquet动力学无关。在这里,本文提出了一种新型的Floquet物理学,可用于一个腔内产生的振动晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC),其中振动的晶格和原子Floquet带是相互依赖的,从而产生了自适应的Floquet动力学。特别是,振动晶格引起BEC的Floquet准能带,其反向作用导致了振动晶格的自适应动力学正常-超辐射相变。这种自适应的Floquet动力学显示出了两个令人惊讶和独特的特征:(i)即使没有原子相互作用,正常-超辐射相变也具有滞后性;(ii)动态原子-腔稳态可能存在于自由能最大值。原子间相互作用强烈地影响BEC从零到有限动量的相变。本文的研究结果为探索自适应Floquet物理学提供了一个强大的平台,这可能为实现新型量子材料开辟了一条道路。

Self-Adapted Floquet Dynamics of Ultracold Bosons in a Cavity

Xi-Wang Luo and Chuanwei Zhang

Phys. Rev. Lett. 120, 263202 (2018)

利用双色双圆少周期中红外激光脉冲

时间间隔来控制谐波的产生

本文主要研究了由时间延迟的,少周期的ω和2ω反旋转中红外脉冲驱动的高次谐波产生(HHG)的控制。文中的数值和解析研究表明,双色脉冲之间的时间延迟可以控制谐波位置,包括角动量守恒所允许或看似禁止的那些位置。此外,任何特定谐波的螺旋性可从左到右可调,而不会改变驱动脉冲螺旋性。最高HHG发生在与基本周期T =2π/ω相比的一段时间延迟内。

Control of Harmonic Generation by the Time Delay Between Two-Color, Bicircular Few-Cycle Mid-IR Laser Pulses

M. V. Frolov, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 263203 (2018)

双折射干涉仪中的光子行为

干涉仪是揭示光的本质和精确光学计量的最重要的装置之一。尽管已经有科研人员进行了许多实验以探测各种配置中的光子行为,但据作者所知,还没有报道对双折射干涉仪中的光子行为进行全面的研究。利用环境湍流免疫的Mach-Zehnder干涉仪,通过旋转一个双折射晶体,作者观察到了可调包括单光子和双光子的晶体温度下的光子跳动。此外,双光子干涉条纹比单光子干涉条纹跳动快2倍。这种跳动效应可用于通过单次测量确定两个主折射轴的热扩散系数:双光子干涉显示超分辨率和高灵敏度。在不平衡的情况下,双光子和单光子干涉之间也有明显差异。此外,本文还研究了光子带宽对来自偏振相关退相干的跳动行为的影响。作者的发现对于更好地理解双折射干涉仪中双光子干涉的行为和量子增强的精密光学计量非常重要。

Revealing the Behavior of Photons in a Birefringent Interferometer

Zhi-Yuan Zhou, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 263601 (2018)

用于超高精度计量和传感的

硅基光学镜面涂层

高反射镜面涂层的热噪声是许多有严格要求(比如低光学吸收)的精密激光实验的灵敏度的一个主要限制。在这里,本文主要研究了非晶硅和氮化硅是否可作为目前使用的涂层材料,二氧化硅和氧化钽组合的替代品。相比于迄今为止报道的近红外波长下非晶硅的光吸收最低的因子,作者显示了一个大约55倍的改进。这种减少是通过热处理、低温下的最终操作和2μm波长而不是更常用的1550nm的技术组合来实现的。与二氧化硅和氧化钽在20 K下的性能相比,本文的硅基涂层可提供降低12倍的热噪声。在引力波探测器中,噪声降低12倍对应于平均检测率的增加三个数量级(≈123)。

Silicon-Based Optical Mirror Coatings for Ultrahigh Precision Metrology and Sensing

J. Steinlechner, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 263602 (2018)

非线性动力学和流体力学

责编:兰岳恒

极紫外纯四波混频的第一个证明

非线性光学技术向极紫外(EUV),软硬X射线区域的扩展是现代科学的公开挑战之一,因为它将化学特异性和无背景检测、超快时间分辨率相结合。作者汇报了首次观测到由EUV脉冲激发的固态样品的四波混频(FWM)响应。全EUV FWM信号由FERMI自由电子激光器(FEL)的高次谐波衍射产生,该驻波由两个交叉的FEL基频脉冲干涉产生。根据FWM信号的强度,我们能够提取出有效值为~6×10-24m2V-2的首次估计,作为EUV区域的三阶非线性磁化率。这一原理性证明实验代表了非线性光学领域的重大进展,并为包括频率和相位解析FWM方法在内的多种技术提供了起点,在这一光子能量域中前所未有。(郑皓天)

First Evidence of Purely Extreme-Ultraviolet Four-Wave Mixing

L. Foglia, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 263901 (2018)

超越Ott-Antonsen假设的

带噪振子的群体动力学

Tyulkina等人开发了一种方法基于“圆形累积量”而不是Kuramoto-Daido序参量来描述相位振子群的动力学。在热力学极限下,这些变量给出了Ott-Antonsen不变解的简单表示,并且似乎适合于在Ott Antonsen假设之上构建扰动理论。作者采用这种方法来研究固有小噪声对动力学的影响。结果导出了两个首要累积量的闭合方程组,描述了带噪系综的动力学。文章通过在两个对称耦合的振子群中研究噪声对Kuramoto系统和嵌合状态的影响来举例说明一般理论。(郑皓天)

Dynamics of Noisy Oscillator Populations beyond the Ott-Antonsen Ansatz

Irina V. Tyulkina, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 264101 (2018)

沙粒撞击坑的射线簇

在经典的粒状撞击坑实验中,落在平整颗粒物床上的球会产生一个被均匀毯状抛射粒堆包围的坑。本文中,Sabuwala等人表明,抛射粒的均匀毯状层会变成射线簇,即径向条纹集合,如果其中的颗粒物床表面起伏,这是迄今为止尚未仔细研究的状况。通过大量的实验和计算模拟,可以确定射线簇中的射线数∝D /λ,其中D是球的直径,λ是起伏的波长。此外,还发现射线簇中的抛射物源于直径为D的狭窄环带,其中心位于撞击位置。我们的研究结果可能有助于阐明神秘的射线簇,它环绕着月球和其他行星体上的许多撞击坑。(郑皓天)

Ray Systems in Granular Cratering

Tapan Sabuwala, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 264501 (2018)

阻挫振子可解模型中的火山相变

1992年,在随机耦合极限环振子的模拟中发现了令人费解的相变。自那以后,这种所谓火山相变的分析一直受阻。最初猜测它标记了振子玻璃态的出现,但在这里证明不一定是这样的。Strogatz等人引入并解决了一个定性上具有相同火山相变的简单模型,并发现它的超临界态不是玻璃态。作者讨论了这种现象在原来模型上的意义,并提出可能会出现火山相变和振子玻璃的实验系统。(郑皓天)

Volcano Transition in a Solvable Model of Frustrated Oscillators

Bertrand Ottino-Löffler, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 264102 (2018)

磁性阵列的稳定性分析:何时会跳跃?

磁矩共享相同垂直取向并且位于平坦表面上的二维磁体阵列可逐渐压紧。当密度达到阈值时,组件变得不稳定,磁铁开始猛烈跳出平面。在论文中,Nicolas Taberlet等人从实验和理论上研究了相同圆柱形磁体的二维平面组件的最大填充率(或密度)。最终结果表明不稳定性可归因于平面上磁体高度的局部波动。假定磁体之间存在偶极相互作用,可从理论上预测最大密度,预测结果与使用各种圆柱形磁体的实验结果非常一致。(胡婧)

Stability Analysis of an Array of Magnets: When Will It Jump?

Nicolas Taberlet, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 264301 (2018)

由尾层电导耦合反应动力学导致的

电运动学中流动诱导的表面电荷不均匀性

Werkhoven等人在理论上研究了压力引起的液体流过具有带电壁窄长通道的动电问题。其超越了经典的Helmholtz-Schmolukowski图像,考虑了(i)斯特恩层电导和(ii)动态电荷调节而非固定表面电荷的惊人强大的组合效应。B.L.Werkhoven等人发现,除了众所周知的流动电势之外,水流还诱导化学均质的通道壁上高度不均匀的表面电荷和ζ电势。此外,还确定了一个新的稳态,该稳态以一个非平凡的3D电流与2D表面电荷作为源和汇。对于脉冲压降,B.L.Werkhoven等人的发现还提供了关于流动对界面化学影响的被错误理解的实验的第一原理解释。(胡婧)

Flow-Induced Surface Charge Heterogeneity in Electrokinetics due to Stern-Layer Conductance Coupled to Reaction Kinetics

B. L. Werkhoven, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 264502 (2018)

等离子体与束物理

责编:陈少永

动理学不稳定性在逃逸电子雪崩

和临界电场升高过程中的作用

Chang Liu等人研究了动理学哨声波不稳定性对逃逸电子(RE)雪崩的影响。在DIII-D国家聚变装置的实验参数下,由哨声波激发的RE散射能够解释一些难以理解的实验结果。研究发现RE雪崩在低密度和高电场情况下得到增强,而在高密度和低电场情况下散射会抑制雪崩并提高电场阈值,目前理论模型与实验观测结果非常接近。动理学不稳定性的激发和共振电子散射由准线性理论和局域近似自洽计算得出。研究还解释了电子回旋辐射信号的快速增强和DIII-D托卡马克静态RE实验中观测到的超低频哨声模激发。ITER参数下的模拟结果表明,通过控制背景热等离子的密度和温度,等离子体波可以在托卡马克破裂过程中被自发地激发并抑制RE雪崩的产生。(杨生鹏)

Role ofKinetic Instability in Runaway-Electron Avalanches and Elevated Critical Electric Fields

Chang Liu, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 265001 (2018)

相对论表面等离激元增强极紫外光束

Cantono等人通过实验研究了由短强激光脉冲与光栅靶相互作用产生的高次谐波在极紫外范围内的辐射。当共振激发起一个表面等离激元(plasmon)时,观察到沿光栅表面的谐波辐射的强度和最高阶数都相对于平面靶增加。在靶表面预先形成一个合适的密度梯度时可获得谐波,这表明在不阻止表面等离激元激发的情况下,可以在纳米尺度上操纵光栅轮廓。基于此观点,谐波辐射与几兆电子伏的电子束沿光栅表面的加速时空相关。PIC模拟再现了该实验结果,并且给出了在表面等离激元存在时对高次谐波产生机制的理解。(阳青程,牟茂淋)

Extreme Ultraviolet Beam Enhancement by Relativistic Surface Plasmons

G. Cantono, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 264803 (2018)

255GeV极化质子

在双螺旋结构环中的高效率自旋翻转

在极化质子碰撞试验中,在存储期间翻转每一束质子的自旋非常有利于减少系统误差。能量低于2GeV的实验表明,自旋翻转效率已经超过了99%。但是,在有螺旋结构的高能量对撞机中,因为大自旋调谐的传播和多重重叠谐振的产生,单个磁体自旋翻转器无法工作。Huang等人在BNL相对论重离子对撞机中,使用了一种更复杂的由九偶极磁铁构成的自旋翻转器来翻转自旋,同时运用一个特殊的光学选择使自旋调谐传播变得非常小。通过测量发现,在24GeV和255GeV情况下,自旋翻转效率均达到了97%。这些结果表明,利用九磁自旋翻转器可以在高能条件下实现有效的自旋翻转。(阳青程,牟茂淋)

High Spin-Flip Efficiency at 255 GeV for Polarized Protons in a Ring With Two Full Siberian Snakes

H. Huang, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 264804 (2018)

新鲜切片多级自由电子激光器

发出的高功率飞秒软X射线

Lutman等人提出了一种用于自放大自发辐射自由电子激光器的新型多级放大方案,用于在软X射线状态下产生具有非常高功率的少量飞秒脉冲。该方案使用新鲜切片技术(Fresh-Slice)在束尾产生x射线脉冲,随后通过新电子在下游波荡器部分中放大。通过三级放大,在几飞秒内产生具有数百微焦能量的X射线脉冲。对于单尖峰光谱x射线脉冲,其脉冲功率比同波长范围内的其他技术增加了一个量级以上。(秦晨,牟茂淋)

High-Power Femtosecond Soft X Rays from Fresh-Slice Multistage Free-Electron Lasers

Alberto A. Lutman, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 264801 (2018)

基于色散的自由电子激光器的

新鲜切片方案

新鲜切片(Fresh-Slice)技术通过对时间激光切片进行选择性控制,在不破坏其他电子束切片的前提下,提高了几种自放大自发辐射自由电子激光方案的性能。以往,实施该方案需要一种叫做反啁啾(dechirper)的特殊插入装置来产生射束偏航。Guetg等人提出了一种实现新鲜切片操作的新方案,该方案基于电子能量啁啾和轨道色散,且无需额外硬件就可以在任何自由电子激光设备上实现。(秦晨,牟茂淋)

Dispersion-Based Fresh-Slice Scheme for Free-Electron Lasers

Marc W. Guetg, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 264802 (2018)

凝聚态物理:结构

责编:马天星

ZrW2O8中负水化膨胀:

微观机理,spaghetti动力学,负热膨胀

[编辑推荐语]材料在加热和吸水方面收缩的机制变得密切相关。

MiaBaise等人综合采用x射线衍射、全散射和量子力学计算方法,确定了ZrW2O8中引起水化驱动收缩的机制。在ZrW2O8中引入H2O分子,可以驱动新的W-O键的产生,并形成(-W-O-)n链。ZrW2O8网络的拓扑性使得链轨迹没有确定的选择:配位中同种局部变化能够以大量不同的周期进行传播。因此,ZrW2O8·H2O重度无序,每种链的位形构成致密的非周期“spaghetti”。这种新连通性通过锆和钨原子位置的剧烈变化引起晶胞收缩。无失真母体结构向spaghetti相的波动,导致ZrW2O8中关键负热膨胀(NTE)声子模式的出现。ZrW2O8中NTE声子模式相应的密度很大,实际上反映了体积收缩的spaghetti激发的简并,它本身就是这种性能优异材料的独特拓扑函数。(黄通昀)

Negative Hydration Expansion in ZrW2O8: Microscopic Mechanism, Spaghetti Dynamics, and Negative Thermal Expansion

Mia Baise, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 265501 (2018)

飞秒X射线衍射研究在钽冲击释放时

塑性变形的微结构效应的逆转

当37-253GPa冲击波从自由表面分离时,Sliwa等人使用飞秒X射线衍射研究了经激光冲击的具有纤维织构的多晶钽靶材。当稀疏波返回到样品时,作者在钽靶内提取了时间和随深度变化的应变剖面。与分子动力学模拟一致,Sliwa等人观察到在冲击压缩下形成的晶格旋转和孪晶几乎被稀疏过程完全消除。(黄通昀)

Femtosecond X-Ray Diffraction Studies of the Reversal of the Microstructural Effects of Plastic Deformation during Shock Release of Tantalum

M. Sliwa, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 265502 (2018)

冲击压缩和单晶释放时的孪生现象和

错位演变:实时X射线衍射

在加上平面冲击波的单晶中,实时(纳秒)地确定孪生现象和/或错位滑移的时间演变是一个长期存在的科学需求。非立方晶体因为有许多相互竞争的滑移和孪生系统,因此构成了特殊的挑战。在这里,作者给出了在冲击压缩和受到沿C轴压力的镁单晶释放时,时间分辨的原位同步加速器劳厄X射线衍射测量方法。在冲击压缩后的应力释放期间,作者直接观察到显著的孪生现象;在压缩期间,仅观察到错位滑移。他们的测量结果清楚地区分了振动六角密排金属中纳秒时间尺度上的孪生现象和错位滑移。(王婧瑶)

Twinning and DislocationEvolution during Shock Compression and Release of Single Crystals: Real-TimeX-Ray Diffraction

Stefan J. Turneaure, et al.

Phys. Rev. Lett.120, 265503 (2018)

硬X射线激发下单晶硅的

非热熔化过程的延迟性

本工作中,作者通过X射线泵-X射线探测的方法,来监测单晶硅中的非热融化过程。通过使用由Linac相干光源(SLAC)提供的超短脉冲和硬X射线特定的分裂-延迟线,Pardini等人实现了监测转化开始所需时间分辨率。他们的数据显示,从光吸收开始150±40fs的时间范围内长程序并没有消失。作者将这个时间解释为电子系统在等于或者高于临界非热熔化温度时达到平衡态所需的时间。一旦系统达到平衡态,原子的长程序排列就会开始被打乱,并在光被吸收后315±40fs内完成。(张陆峰)

Delayed Onset ofNonthermal Melting in Single-Crystal Silicon Pumped with Hard X Rays

T. Pardini, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 265701 (2018)

SnO2中压力诱导的子晶格无序:

选择渗透性

使用拉曼光谱学和第一性计算,作者研究了高压下的SnO2粉末和单晶。发现由高压导致的效果和样品的形式有很大关系。单晶在高压下会产生相变,这和以往的研究结果一致。而粉末样品在压缩的第一阶段表现出了氧亚晶格的无序现象。根据第一性原理计算结果来看,这种行为或许与缺陷密度有关。本工作通过阴离子亚晶格的渗透情况,讨论了缺陷密度和非晶态拉曼信号之间的关系。根据阳离子密堆积的情况,可以分析出阳离子亚晶格对无序传播的阻碍。本文中基于SnO2的研究结果,或许可以扩展应用到其他的体系中。作者还观测到了两个子晶格之间的解耦现象,这对基于多面体堆积的“传统”晶体学表述提出了质疑。(张陆峰)

Pressure-Induced Sublattice Disordering in SnO2: Invasive Selective Percolation

Helainne T. Girao, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 265702 (2018)

室温下水的自旋异构体转化和量子转子

诱导的H2O@C60的核极化

水以两种形态存在,对位和邻位,这两种形态具有不同对称性的核自旋态。本文中,作者给出了由富勒烯封装的对位水向邻位水的转化过程。作者通过改变材料的电极化率来监测低温下对位水的富集。材料在甲苯中快速溶解时,过量的对位水转化为邻位水。在H216O@ C60中,转化导致NMR信号的缓慢增加。在H217O@ C60中,转化引起了由核自旋极化引起的弱信号增强,核自旋极化由量子转子诱导产生。在环境温度溶液中,富勒烯封装水的对—邻位转化的时间常数估计为,16O同位素水为30±4s,17O同位素水为16±3s。(王婧瑶)

Spin-Isomer Conversion of Waterat Room Temperature and Quantum-Rotor-Induced Nuclear Polarization in the Water-Endofullerene H2O@C60

Benno Meier, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 266001 (2018)

凝聚态物理:电子性质

责编:袁喆,马锋杰,沈卡

分离基本能带表示的拓扑性

[编辑推荐语]通过考虑有带隙基本能带表示的点式和非点式空间群可以确定狄拉克锥不可去除的新拓扑不变量。

如果一组被别的能带带隙隔开能带,不再像能带表示那样转换,该能带将不再含有对称的瓦尼尔函数,从而具有拓扑性。基本能带表示是原子极限能带结构的基本组成部分,表明在局部填充时,体系不能同时处于有带隙态和平庸态。本文中,Cano等人以点式和非点式空间群为例,说明基本能带表示可以在有带隙体系中出现。在此过程中,作者发现在具有时间反演对称的非点式空间群中,单值的基本能带表示是相互关联的。同时,对于每个例子,作者通过构造出相应的拓扑不变式来显式地证明价带是非平凡的,并发现了一类新的拓扑不变量:在Wilson哈密顿量下,具有弯曲Z2指标的可移动但不可去除的狄拉克锥。(刘钱)

Topology of Disconnected Elementary Band Representations

J. Cano et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 266401 (2018).

扭曲双层石墨烯中磁性和带隙的外部调控

对于石墨烯双分子层,如果对其施加一个横向电场,将会在能带中引入一个带隙。扭曲的石墨烯双层在许多方面都和两个退耦合的石墨烯类似,所以横向电场的引入有可能只是在能谱中引入镜面修饰。本文中,Sboychakov等人从理论上研究横向外部电场影响下,考虑电子-电子相互作用后,扭曲石墨烯的能带特性。结果显示,当扭曲的角度不是很小的时候,双层的电子频谱由四个狄拉克锥组成。若施加偏压,会导致两个类空穴和两个类电子的费米表面板(Fermi surface sheet)的出现。和激子诱导的带隙相比,该类能带结构的带隙由于受到屏蔽的库仑相互作用而不稳定。同时,该带隙的大小受扭曲角度和偏压大小调控。(刘钱)

Externally Controlled Magnetism and Band Gap in Twisted Bilayer Graphene

A. O.Sboychakovet al.

Phys. Rev. Lett. 120, 266402 (2018).

可压缩量子霍尔态中

磁化效应对遂穿反常的影响

电子进入二维电子系统的遂穿过程会由于多体效应在低偏压下出现遂穿电导消失的反常行为。近期的实验已经在两个半填充朗道能级之间测得了这种反常效应随面内磁场的变化趋势,这预示着可以通过增大自旋极化率进一步抑制遂穿效应。在本篇文章中,Chowdhury等人提出了两个部分自旋极化Halperin-Lee-Read态间遂穿反常效应的理论,并证明基于注入电荷波包库仑自能对遂穿反常效应的常规描述与实验发现不符。作者提出实验是在之前未考虑的新区域下完成的,此时电荷的传播行为是由复合费米子的可压缩性决定的。(李松)

Effect of Magnetization on the Tunneling Anomaly in Compressible Quantum Hall States

Debanjan Chowdhury et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 266601 (2018)

满足反演对称性的范德瓦尔斯晶体中的

自旋积累和动力学

在存在时间反演对称性的情况下,反演对称性材料不能在能带结构上表现出整体的自旋结构。然而在单层内部缺少反演对称性的范德瓦尔斯晶体中可能会出现与层相关的自旋结构并引起自旋-层耦合的自由度。在这个工作中,Guimarães和Koopmans使用时间分辨Kerr旋转研究了满足反演对称性的WSe2和MoSe2块体中的自旋-层极化及其动力学。他们的测量结果显示WSe2中的自旋-层弛豫时间在高温下被声子散射所限制并且层间耦合在低温下可以被面内小磁场所调制从而加快弛豫速率。作者发现MoSe2中持续时间比WSe2短许多,这与WSe2中更大自旋轨道耦合导致更稳定的自旋-层极化的理论预期相符。(李松)

Spin Accumulation and Dynamics in Inversion-Symmetric van der Waals Crystals

M. Guimarães and B. Koopmans

Phys. Rev. Lett. 120, 266801 (2018)

在SrTiO3(111)二维电子气中

观测面外自旋结构

He等人研究了SrTiO3(111)表面由d电子构成的二维电子气中二阶双线性磁电阻效应,发现了面内分量具有典型Rashba自旋动量锁定特征的能带劈裂证据。在面外磁场下,作者发现了破坏电子色散六重对称性的双线性磁电阻信号,这是存在与动量相关面外自旋分量的重要依据。相对论电子结构计算重复出这种自旋结构并指出这种源于强晶体场效应的面外分量是氧化物二维电子气的普遍特性。进一步研究发现SrTiO3(111)二维电子气的双线性磁电阻响应是可调的并且强度比预期要大。(李松)

Observation of Out-of-Plane Spin Texture in a SrTiO3(111) Two-Dimensional Electron Gas

Pan He et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 266802 (2018)

向列相序对FeSe中超导性的作用

块体FeSe是一种特殊的铁基材料,在这种材料中,向列相出现将会降低体系的对称性,使得体系中的s波和d波配对通道混合,从而在该材料中诱导出超导态。目前虽然清楚该配对机制会导致配对带隙的产生,但是配对带隙的具体大小还不十分清楚。本文中,作者综合考虑了s波和d波配对通道之间的混合效应以及由符号变化的向列相序参数所诱导的轨道光谱权重变化现象对FeSe中超导性质的影响。结果表明,向列相序对超导临界温度的影响是十分微弱的,但是却能够给空穴型口袋的配对带隙带来不可忽略的影响。修正后的配对带隙与角分辨光电子谱和扫描隧道显微镜的实验结果符合。作者进一步分析表明,向列相序还可改变空穴型口袋和电子型口袋中d轨道的权重。(刘钱)

Superconductivity in FeSe: The Role of Nematic Order

J. Kang et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 267001 (2018)

由Majorana-Kramers对介导的

宇称受控的2π约瑟夫森效应

Schrade等研究了包含空间分离的MajoranaKramers对,且弱隧道耦合到两个s波超导电极的一个时间反演不变拓扑超导体岛。当此拓扑超导体岛处于库仑阻塞时,他们预测由于Majorana Kramers对介导的Cooper对的非局域转移,约瑟夫森电流会在两个电极之间流动。有趣的是,他们发现约瑟夫森流的符号是由拓扑超导体岛上所有四个马约拉纳约束态的联合宇称控制的。因此,这种宇称控制的约瑟夫森效应可用于基于Majorana量子计算的量子比特读出器。(方子明)

Parity-Controlled 2π Josephson Effect Mediated by Majorana Kramers Pairs

Constantin Schrade and Liang Fu

Phys. Rev. Lett. 120, 267002 (2018)

双层铁基超导CaKFe4As4中

中子自旋共振的奇数和偶数模

把非常规超导体冷却到超导转变温度以下时,自旋激发会形成一个共振峰。这个称作中子自旋共振现象给出了铜酸盐和重费米子超导体中磁性库珀的重要证据。Xie等人报道了双层铁基超导体CaKFe4As4中自旋共振的中子散射实验结果。与系统的准二维电子结构不同,在转变温度Tc=35K以下发现了三个具有强烈L依赖的自旋共振模式。这些模式的能量在超导能隙以下且与总超导能隙线性相关,这与铜酸盐和重费米子超导体中的结果是一致的。这个发现支持多种配对通道下的反号库珀配对机制并解决了铁基材料中关于自旋共振峰方面的长期疑惑。更重要的是,这三种共振模式可以根据AsFe双层单元中Fe-Fe平面间的距离分成奇偶对称性。因此本文的结果与双层铜酸盐中具有非简并自旋激发的结果很接近,这表明这两种高转变温度超导家族具有共同的物理。(李松)

Odd and Even Modes of Neutron Spin Resonance in the Bilayer Iron-Based Superconductor CaKFe4As4

Tao Xie et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 267003 (2018)

磁通管与带电粒子

复合材料的量子霍尔效应

Wilczek提出的由带电粒子和磁通管组成的复合材料是服从粒子分数统计的任意子的一种模型。在这里Todorić等提出了一种实现带电磁通管的方案,其中具有本征磁偶极矩的带电物体被放置在两个半无限且高磁导率(μr)材料块之间,磁矩镜像生成有效的通量管。他们的结果显示,当一个呈现整数量子霍尔效应的二维电子系统被夹在两个具有瞬时快速响应(在回旋加速器和拉莫尔频率范围)的高磁导率材料块之间时,此方案可以实现Wilczek任意子。Wilczek任意子的特征是IQHE平台上电阻率的轻微偏移。因此,超材料领域正在进行的高频高磁导率材料的探索以及对任意子的寻找,在这里被发现是殊途同归的。(方子明)

Quantum Hall Effect withCompositesof Magnetic Flux Tubes and Charged Particles

Marija Todorić, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 267201 (2018)

亚微米相分离锰氧化物的金属-绝缘体

转变中光诱导产生的意外中间态

在超快时间尺度,一级金属-绝缘体转变的初始和最终状态通常共存,形成两相的团簇。在这里,Lin等报导了La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3中光诱导的一级金属-绝缘体转变中会出现意外的第三种长寿命中间态,此材料已知会表现出亚微米长尺度的相分离。使用磁力显微镜和时间依赖的磁光克尔效应,他们确定第三种态是相互竞争的铁磁金属和电荷有序绝缘相的纳米尺度混合态,具有其独特的物理性质。这一发现将实验已知的两种不同的巨磁阻锰氧化物家族联系起来,并首次显示理论预测的相关态可以共存于一个样品中。(方子明)

Unexpected Intermediate State Photoinduced in the Metal-Insulator Transition of Submicrometer Phase-Separated Manganites

Hanxuan Lin et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 267202 (2018)

自旋玻璃衰减速率的模拟与实验相符

自旋玻璃实验现在可以对控制玻璃畴生长的指数z(T)进行精确测量,而Baity-Jesi等的计算能力允许他们对实验尺度进行定量化预测。然而,z(T)的实验值和模拟数值有所不同。他们在Janus II计算机上使用新的模拟来解决这个差异,他们找到一个时间相关的z(T,tw),可通过温和的外推得到实验值。此外,通过研究T=Tc和T=0定点间的交叉,有助于理论上见解的获得。(方子明)

Aging Rate of Spin Glasses from Simulations Matches Experiments

M. Baity-Jesi et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 267203 (2018)

利用振动应变动态调控

暗与亮激子之间的耦合作用

[编辑推荐语]利用暗和亮束缚激子之间的应变控制耦合使芯片上基于激子的存储器件得以实现。

在Ⅲ-Ⅴ族元素形成的半导体材料中,导带的电子和重空穴带的空穴之间不同的自旋耦合态可以形成不同光敏性的激子。其中自旋相反的电子-空穴对可以形成对光敏感的亮激子,而自旋相同的电子-空穴对则形成对光不敏感的暗激子。暗激子由于存在周期长而有望用于开发新型量子信息设备和自旋电子学器件。然而,长周期性同时也极大地限制了暗激子的应用。本文中,Ohta等人利用砷化镓(GaAs)微机械谐振器,对暗与亮激子之间的应变耦合及其动态控制进行了数值和实验研究。实验发现,由机械共振引起的单轴应变除了能有效地降低激子能量,还能对激子的耦合强度进行调节,从而使得在不使用任何外部电磁场的情况下,可以对长寿命暗激子的光敏性进行有效调节,从而使得芯片上基于激子的存储器和基于微机械谐振器的电路得以实现。(刘钱)

Dynamic Control of the Coupling between Dark and Bright Excitons with Vibrational Strain

R. Ohtaet al.

Phys. Rev. Lett. 120, 267401 (2018)

SrTiO3位错处挠曲电极化的原子尺度测量

由于位错处平移对称性的破缺,位错核周围自然存在的应力梯度会明显影响电学和机械性质。Gao等人利用误差修正扫描透射电子显微镜直接测量了SrTiO3位错核处的挠曲电极化。极化电荷可以与非化学计量的位错核相互作用,从而影响电学行为。这个发现有助于理解钙钛矿中位错的特性,并通过缺陷设计制备新型器件。(李松)

Atomic-Scale Measurement of Flexoelectric Polarization at SrTiO3Dislocations

Peng Gao et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 267601 (2018)

软物质与生物物理

责编:严钢

缠结聚合物链的动态非均匀弛豫

对缠结聚合物动态特性的研究已有比较成熟的微观理论,如Graham-Likhtman-McLeish-Milner模型,和实验方法,如光散射、流变学和单分子荧光显微技术等。然而,缠结溶液中的聚合物弛豫动力学仍没有在分子水平上完全理解。本文作者采用单分子荧光显微技术研究了单DNA聚合物在非缠结和缠结溶液的过渡区间的弛豫动力学。实验揭示了聚合物弛豫行为中动态不均匀性的出现,包括由单模态和双模态指数弛豫行为所描述的两种截然不同的分子亚群。其中,慢速双模态的弛豫时间尺度与特征爬行时间一致,而单模态与快速双模态的弛豫时间尺度则归因于聚合物溶液中由强烈变形导致的非缠结的局部区域。(张鑫洁)

Dynamically Heterogeneous Relaxation of Entangled Polymer Chains

Yuecheng Zhou et al

Phys. Rev. Lett. 120, 267801 (2018)

活性可变形表面上的波传播的几何结构

[封面文章]很多基本的生物和仿生过程都依赖化学和力学界面波的传播来协调活性力的产生。理解界面的几何结构与收缩波动力学之间的相互影响对于化学驱动的软体机器人和活性材料的设计是必不可少的。本文作者将化学波和反应-扩散模型与非欧壳力学相结合,提出了识别和刻画化学机械波在活性可变形表面上传播的一般特征的理论框架,并在海鞘和海星卵母细胞的收缩波实验数据中得到了验证。运用该理论框架,作者发现限制在三维嵌入表面的波传播极易受表面几何形状的影响;并通过不同几何形状的弹性壳的自发波激发运动,展现了化学机械耦合的实际应用潜力。(张鑫洁)

Geometry of Wave Propagation on Active Deformable Surfaces

Pearson W. Miller et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 268001 (2018)

粘弹性材料的裂痕的产生

粘弹性材料的断裂过程与固体有一个重要的不同点,即粘弹性材料中的缺陷并不会一直增长,而是不断出现不断愈合。因此,Griffith理论并不适用于粘弹性材料。本文建立了一个最小模型,不仅考虑了粘弹性材料断裂过程中的可逆的键动力学,并且具有裂痕产生所需的空间不均匀性。这个最小模型系统表现的自发产生裂痕和随后断裂的方式与实验观察结果一致。作者提出了基于非线性键动力学的描述裂痕产生过程的数学方程,并预测了临界裂痕长度对键性质和压力的依赖关系。(张鑫洁)

Crack Initiation in Viscoelastic Materials

Yuval Mulla et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 268002 (2018)

活性晶格气体的精确流体力学描述

过去的十几年见证了对活性物质体系进行粗粒化描述的研究热情,但是微观模型的复杂性阻碍了平均场之外的精确解的发现。本文介绍了一种新的活性晶格气体模型,它的粗粒化物理性质有着精确的流体动力学描述。具体地,作者集中考察了活性物质体系中研究得最多的两种涌现行为(移动导致的相分离和集体运动的相变),得到了描述局部密度和极化场的动力学的偏微分方程组。这些方程能够定量地预测宏观晶格气体的涌现性质。(张鑫洁)

Exact Hydrodynamic Deion of Active Lattice Gases

M. Kourbane-Houssene, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 268003 (2018)

二维胶质晶体中的活性原子和活性间隙

胶体悬浮液中的自推进活性粒子具有许多新奇的性质,了解其成分如何影响更致密的结构对构造新的物相具有重要意义。目前,对致密晶体或玻璃中活性粒子运动的实验研究明显滞后于数值模拟。本文用实验和数值的方法研究了在水-油界面上带电胶体形成的松散单层结晶中的活性Janus胶体粒子的运动。随着与晶格静电耦合的强度变化,Janus胶体粒子表现出两种行为:活性间隙和活性原子。本文的结果表明流体界面或可用于实现微观和活性解耦的结构;特别地,活性原子或可用于构造新的二维活性相。(杨岚)

Active Atoms and Interstitials in Two-Dimensional Colloidal Crystals

Kilian Dietrich et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 268004 (2018)

纳米孔输运的水压缩选择效应

[编辑推荐语]纳米孔处较大的电场梯度可以产生流体静力,从而排斥生物分子,阻止DNA通过纳米孔。

对DNA通过纳米孔的输运进行测量已成为探索纳米尺度物理学的通用工具,而DNA输运的先决条件是纳米孔对DNA的捕获。长期以来,DNA捕获率被认为随着施加电场的增强而增大。但是,本文作者从理论上发现,对于石墨烯膜中的狭窄纳米孔来说,增大电场强度会降低DNA的捕获率,而且会阻止生物分子通过。具体地,当强电场对纳米孔附近和内部的水进行极化时,电场的大梯度也将产生很强的介电泳力,使得水被压缩。由水密度的大梯度引起的压力差会产生流体静力,从纳米孔中排斥DNA和蛋白质,并且在某些情况下阻止它们通过。本文的结果表明,流体的局部压缩可以在没有物理阀门的情况下对生物分子通过纳米孔的输运进行调控,可以根据磷酸化状态对蛋白质进行选择。(张鑫洁)

Water-Compression Gating of Nanopore Transport

James Wilson,et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 268101 (2018)

红细胞在受限剪切流中的自发有序

受驱或活性悬浮液能够表现出很多新奇的群体行为。本文通过数值模拟和一个可解析的模型,发现可变形粒子,特别是红细胞,可以在受限的剪切流中自发形成规则的斑图,且斑图的波长与实验观察数据相吻合。这种有序斑图源自于两种流体力学作用的动态平衡:(i)受限壁的流体排斥力驱使可变形细胞游向通道中央;(ii)细胞间依赖于分离状态的吸引或排斥力。改变红细胞的浓度和受限情况能够产生不同的类晶体结构。在相同的条件下,硬化红细胞或刚性粒子仍然保持无序状态,无法形成规则的斑图,进一步表明粒子的可变形性对有序斑图的涌现至关重要。(张鑫洁)

Blood Crystal: Emergent Order of Red Blood Cells Under Wall-Confined Shear Flow

Zaiyi Shen et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 268102 (2018)

突触随机性在训练

低精度神经网络中的作用

真实神经突触的权重是可塑的、低精度且不可靠的。一个持续了很久但仍未解决的争论是,突触权重的这种随机性有利于学习还是会阻碍学习。本文通过理论解析和数值模拟的方法研究了具有随机二元权值的神经网络模型,发现突触权重的随机性能够将监督学习过程导向一个特别的解区域。虽然这个区域十分稀有,但是具有两个重要的特征:对噪声的鲁棒性和良好的泛化性能。同时,作者讨论了该机制在深度学习中的应用。(张新)

Role of Synaptic Stochasticity in Training Low-Precision Neural Networks

Carlo Baldassi et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 268103 (2018)

脂质膜模拟中的扩散流体力学

对脂质膜进行分子动力学模拟面临一个严峻的挑战:嵌入膜中的分子的扩散系数没有好的定义。流体力学理论和以前的数值模拟都表明,扩散系数随着系统规模呈对数发散。本文利用流体力学知识解决了这一挑战。作者对半微米大小的盒中多达1.32亿个粗粒化粒子进行分子动力学模拟,结果显示流体力学理论确实能够定量地解释脂质、蛋白质、碳纳米管在膜中扩散的有限尺度效应。作者在Oseen校正的基础上,发展了一套校正模拟扩散系数的方法,并充分利用有限尺度依赖性,得到了无限尺度系统的扩散系数和膜的表面粘度。(张鑫洁)

Hydrodynamics of Diffusion in Lipid Membrane Simulations

Martin Vögele et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 268104 (2018)

二维模型组织中的几何阻挫与固-固转变

虽然已存在上皮细胞的连续弹性模型并用于描述生物过程,但是建立一个考虑组织能量的丰富行为的连续模型仍是一个开放性的挑战。Moshe等人基于细胞组织顶点模型的物理原理,并且考虑维持面积和周长的形变的零模态,从而提出了一个二维组织的连续能量。随着目标形状指数的改变,作者发现了一个从兼容目标周长与面积的软弹性区域到被几何不相容阻挫的刚性非线性弹性区域的转变。软弹性区域的基态有一组与零模态相关的简并解,临界点处几何不相容的出现提升了这种简并性,由此产生的能隙导致非线性弹性响应不同于经典弹性模型中的弹性响应。(张鑫洁)

Geometric Frustration and Solid-Solid Transitions in Model 2D Tissue

Michael Moshe et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 268105 (2018)

来源:京师物理

编辑:雾里熊

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