Nature Physics导读-2018年1月
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综述（Review）
非厄米物理学和PT对称性
近年来，非厄米物理和宇称时间(PT)对称性的概念已经引起了相当多的关注。特别是，认识到增益与损耗之间的相互作用会导致全新且意想不到的特性，这带动了一系列研究工作，从理论和实验两方面探索非厄米体系。在此，作者回顾了这一新兴领域的最新进展，并展望了未来的方向和发展。
Non-Hermitian physics and PT symmetry
Ramy El-Ganainy,et al.
NaturePhysics 14, 11 (2018)
http://www.nature.com/articles/nphys4323
快报（Letters）
强耦合等离子体遵循熵产生涨落定理
波动定理描述了小系统中的非平衡随机行为。虽然实验已经证明，在液体和其他物理系统中的单个粒子遵守涨落定理，但在强耦合等离子体中却还没有相关证明。当粒子间势能比动能大时，等离子体被认为是强耦合的。这种等离子体中的带电粒子可以表现的象液体一样，但是其和液体相比有本质区别，例如长程碰撞。尽管存在这些差异，但是强耦合等离子体的随机行为是否遵守涨落定理还是未知的。在这里，作者通过实验证明了强耦合的尘埃等离子体遵守Evans，Cohen和Morriss的涨落定理，该定理本是为非平衡稳态下的简单液体开发的。这个涨落定理描述了稳态剪切流中由碰撞而起的熵产生。
Strongly coupled plasmas obey the fluctuation theorem for entropy production
Chun-Shang Wong, et al.
Nature Physics 14, 21 (2018)
http://www.nature.com/articles/nphys4253
高温超导对石墨烯的可调谐类Klein 隧穿
通过来自相邻超导体的超导电荷载体对的“泄漏”可以在普通材料中诱导超导电性。石墨烯独特的电子结构，在基础科研和技术应用中都显著地影响着这种所谓的邻近效应。在这些技术方式包括一种非常规形式的“泄漏”机制，比如Andreev反射，这些技术方式还具有通过电子门控进行超电流调制的潜力。尽管人们对这种情况下高温超导体有浓厚的兴趣，而实现上却完全只是基于低温的。在这里，作者展示了石墨烯中的门可调的高温超导邻近效应。值得注意的是，门控效应是超导对穿过能垒完美传输的结果，这是一种Klein隧穿（迄今为止仅用于非超导载流子）以及石墨烯掺杂控制的量子干涉。另外，作者还发现这种类型的干涉在不需要超洁净的石墨烯的情况下变得占主导地位，这与低温超导体的情况形成鲜明对比。这些结果为基于大规模石墨烯的新一代可调谐的高温Josephson器件铺平了道路。
Tunable Klein-like tunnelling of high-temperature superconducting pairs into graphene
David Perconte, et al.
NaturePhysics 14, 25–29 (2018)
www.nature.com/articles/nphys4278
手性声子晶体中的外尔点与费米弧
拓扑半金属是一种能带结构包含拓扑非平凡接触点的材料，可以承载像狄拉克费米子或Weyl费米子那样的准粒子激发。这些所谓的Weyl点不仅存在于电子系统中，而且还可以在具有经典波的人造周期结构中发现，例如光子晶体中的电磁波和声子晶体中的声波。但是，由于缺乏自旋和打破声音的时间反演对称性的困难，拓扑声学材料就不能以与电子或光学系统相同的方式来实现。因此，尽管有许多理论预测，但是在声子晶体中实验性地实现Weyl点仍然具有挑战性。在这里，作者在实验中实现了手性声子晶体系统中的Weyl点，并且展示了与Weyl点相关联的表面态的拓扑本质，它们可承载单向传播的模态。与光子晶体一样，手性声子晶体将拓扑物理学引入到宏观尺度。
Weyl points and Fermi arcs in a chiral phononic crystal
FengLi, et al.
NaturePhysics 14, 30 (2018)
www.nature.com/articles/nphys4275
碰撞液滴的自剥落
传统上通过功能化目标表面或在液滴中使用添加剂来控制碰撞液滴是否粘附到固体表面。在这里，作者报道了一个意想不到的自剥离现象，通过利用碰撞液滴的固化和基底的热特性，这种现象甚至可以在光滑的未处理过的表面上发生。作者还通过调整短时间尺度的流体动力学和较长时间尺度的热机械应力的耦合来控制这种现象，其中短时间尺度的流体动力学会诱发局部冷冻时的界面缺陷而较长时间尺度的热机械应力会导致整体变形。该文还建立了一个机制过程图，可预测一个熔化的金属液滴在撞击到较冷的基底时，会发生反弹，粘连还是自剥落。在该研究的许多应用中，避免撞击液滴粘附在指定的目标表面上可能与键合在其上以减少浪费或清洁同等重要。本文的发现对从热喷涂和添加剂制造到极端紫外光刻的工艺中都具有广泛的应用性。
Self-peeling of impacting droplets
Joletde Ruiter, et al.
NaturePhysics 14, 35 (2018)
www.nature.com/articles/nphys4252
特征长度尺度在机械超材料中引起异常尺寸效应和边界可编程性
机械超材料的结构设计为利用几何、非线性和拓扑来获得诸如形状渐变、可编程性和单向传播的高级功能。尽管纯粹的几何框架在理想条件下成功地捕获了小系统的物理特性，但是大型系统或异构驱动条件仍然基本上未被探索。该研究发现了一大类超材料的力学中的出现的强烈异常现象，例如：拉胀，变形或拓扑绝缘体；它们的刚度随系统尺寸的非单调变化，以及纹理边界完全改变其性质的能力。这些引人注目的特征来源于基于旋转的变形（与小系统相关）与普通弹性之间的竞争，并受一个完全可以通过建筑细节来进行调整的特征长度尺度的控制。该科学研究为设计、控制和编程超材料力学提供了新的前景。
A characteristic length scale causes anomalous size effects and boundary programmability in mechanical metamaterials
Corentin Coulais, et al.
NaturePhysics 14, 40 (2018)
http://www.nature.com/articles/nphys4269
衣藻微藻对表面的粘附可通过光进行切换
微藻是生活在液体注入环境中的光敏微生物，例如土壤中、临时水池中和岩石里，它们在那里遇到大量的表面并通过繁殖占据下来。它们的光活性表现在各种各样的过程中，包括光定向运动（趋光性），微藻群体的生长以及它们的光合作用机制。虽然微生物对光的反应已被广泛认可，但光对细胞表面相互作用的影响仍然难以捉摸。该研究揭示了微藻对表面的非特异性粘附可以通过光可逆地开启和关闭。使用微管力光谱技术，作者测量了体内单细胞粘附力，并展示微藻的鞭毛提供与表面的光可切换粘合剂接触。这种光致粘附到表面是一个积极的，完全可逆的过程，发生在几秒钟的时间尺度上。该研究结果表明，光可开关的粘附性是微藻的一种天然功能，它可以调节浮游生物和表面相关状态之间的转变，这样就会产生粘合剂去优化光合作用效率和趋光性。
Adhesion of Chlamydomonas microalgae to surfaces is switchable by light
ChristianTitus Kreis, et al.
NaturePhysics 14, 45 (2018)
http://www.nature.com/articles/nphys4258
文章(Articles)
远程通信兼容量子存储器中超过一秒的相干时间
量子光存储将是未来远程量子通信网络的基本要素。这些存储器通过将光的量子态可逆地映射到材料系统的量子跃迁上而工作。对于网络，这些跃迁的量子相干时间必须比网络传输时间长，对于全球通信网络来说大约需要100ms。由于缺乏合适的存储材料，在存储时间大于1微秒的1,550纳米光纤通信波段中操作的量子存储器还没有实现。而在这篇文章中，作者描述了167Er3+：Y2SiO5在高磁场中的自旋动力学，并且证明了这种材料在1,550纳米通信波段中具有实用量子存储的特性。我们观察到超精细相干时间为1.3秒。作者还展示了把整个系统的高效自旋泵浦到一个单独超精细态的过程，这是对宽带自旋波存储的必要条件。因为在1,538 纳米处吸收70 dB cm-1，Λ转换可实现自旋波存储，这是第一种可以在通信波段实现上高效宽带量子存储的候选材料。
Coherence time of over a second in a telecom-compatible quantum memory storage material
MilošRančić, et al.
NaturePhysics 14, 50 (2018)
http://www.nature.com/articles/nphys4254
使用电子填充约束发现拓扑材料
节半金属是具有节点或节线费米面的拓扑材料类，这使得它们具有全新的输运和拓扑性质。尽管受到高度的追捧，但是目前很少有实验性的发现，并且确定新的候选材料主要依赖于详尽的数据库搜索。在这里，作者展示了最近对电子填充和非同构空间群对称性之间相互作用的研究会如何指导搜索强制填充节点半金属。该文将先前推导出的任何空间群中允许的带绝缘体填充的约束条件重新设计为一种新的形式，从而能够仅根据空间群、公式单位中的电子数和公式单元的多重度有效地筛选候选材料。这一标准大大减少了在先前合成的化合物数据库中发现拓扑材料的计算量。作为演示，作者把重点放在一些选定的非同构空间组中，这些空间组被预测会承载强制填充的狄拉克半金属。在所列出的3万多条条目中，作者的填充标准就消除了96％的条目，然后再进行进一步的分析。作者从这个引导式搜索中发现了几种候选材料，其中，单斜晶Ca2Pt2Ga特别有前景。
Topological materials discovery using electron filling constraints
Ru Chen, et al.
Nature Physics 14, 55 (2018)
www.nature.com/articles/nphys4277
NbFe2中的量子三临界点
当二阶相变被抑制到绝对零度时，量子临界点（QCP）出现。在金属中，这种QCP处的量子涨落可以引发新的相位，包括非常规的超导性。尽管反铁磁QCP已经被相当详细地研究，但铁磁性QCP更难以获得。在几乎所有金属中，铁磁性QCP都被通过一阶相变或介入的自旋密度波相来避免了。在这里，作者研究了第二种情况的原型体系NbFe2，并证明了其相图可以用二阶参数理论来模拟，其中推定的铁磁性QCP掩埋在自旋密度波相中。进而，作者确认了量子三临界点（QTCPs）的存在，在这一点上，均匀波矢和有限波矢的极化率发散了。文中作者模型的普遍性本质表明，这种QTCP天然地来自于自旋密度波和铁磁有序之间的相互作用，并且一般存在于这种类型的掩埋铁磁QCP附近。该研究结果促进了NbFe2作为QTCP的第一个例子，QTCP被认为是一系列窄带金属的关键概念，包含重要的费米子化合物YbRh2Si2。
Quantum tricritical points in NbFe2
Sven Friedemann, et al.
NaturePhysics 14, 62 (2018)
http://www.nature.com/articles/nphys4242
用阿秒光电子波包探测电子束缚势
阿秒科学的中心目标是在最快的相关时间尺度上可视化、理解和最终控制物质中的电子动力学。迄今为止，许多研究已经证明了可实现在大约十个阿秒量级的精确的时间分辨率，这可用于测量光激发电子对延时探测的响应。但是，很难将这种响应归因于某个具体的动力学机制，这就需要高级计算的指引。在这里，作者展示了，振荡场和低能量阿秒光电子波包之间的能量传递，直接提供了电子的有效束缚势的粗粒度级信息。该研究采用了强的极紫外（XUV）谐波梳来光电离He，Ne和Ar原子，并记录其电子光谱作为中红外修饰的场的相位的函数。在电子光谱中产生的干涉调制的振幅和相位揭示了电子波包在其产生后的第一个四分之一周期的平均动量和动量的变化，反映了束缚势的相应粗糙特征。
Probing electronic binding potentials with attosecond photoelectron wavepackets
D.Kiesewetter,et al.
NaturePhysics 14, 68 (2018)
www.nature.com/articles/nphys4279
激发电介质中的激光放大
宽带隙电介质（如玻璃或水）在可见光和红外波段是透明的。当它们暴露于超短和高强度的激光脉冲时会发生变化。不同的相互作用机制导致各种瞬态非线性光学现象的出现。利用这些特性，可以将电介质的光学性质从透明状态控制到金属状态。在这里，作者通过一个激发电介质中尚未被探索的机制扩展了这个范围：光放大。在一个双色泵浦探测实验中，作者展示了一个400纳米的飞秒激光脉冲在激发的蓝宝石样品内在几微米的尺度相干放大。模拟结果强烈支持该文提出的双光子受激发射过程，其在时间和空间上都可控。因此，作者预计该机制在所有需要强烈的局部放大的领域都会有应用。
Laser amplification in excited dielectrics
Thomas Winkler, et al.
Nature Physics 14, 74 (2018)
www.nature.com/articles/nphys4265
基于等离子体的光束组合器能承受很高的能量和能量密度
远超出传统光学元件损伤阈值的极端光学通量，对于一系列高能量密度物理应用而言是颇令人感兴趣的。等离子体中多光束的非线性相互作用有可能用来生产能用于比固体光学器件工作所能承受的光学强度和能量密度更高的光学器件。在用激光间接驱动的惯性约束聚变实验中，许多光束在腔中的等离子体中重叠，通过布里渊散射进行能量传输的交叉光束已被用于目标内激光束之间能量的重新分配。在这里，作者展示了在一个热的低密度等离子体中许多输入光束的能量可以组合成一个单一的高准直束。这个新出现的光束具有4kJ（超过1ns）的能量，是任何入射光束的三倍以上，而且能量密度是两倍以上。因为光学介质是等离子体，而且是衍射的，所以与固体折射或反射光学器件相比，它本质上能够在单光束中产生更高的能量密度。
Plasma-based beam combiner for very high fluence and energy
R.K. Kirkwood, et al.
NaturePhysics 14,80 (2018)
www.nature.com/articles/nphys4271
活性向列环中曲率引起的的缺陷解耦和动力学
曲面上的向列次序通常由于拓扑缺陷的存在被中断，其中拓扑缺陷是取向顺序未定义的单一区域。而在产生力的活性材料中，这些缺陷能够像游泳的微生物一样在空间中迁移。本文使用环形表面来表明，尽管它们具有高度混沌和非平衡的动力学，但是在高斯曲率相反的区域中，对成对的缺陷可以进行解耦并分离。通过数值模拟，作者进一步发现可以通过调整系统活性来控制缺陷解除的程度，而在强活性的系统中甚至会被抑制。此外，通过使用这些缺陷作为活性微流变示踪剂并定量对比了实验和理论结果，作者能够确定活性向列的材料性质。该研究结果说明了如何利用拓扑学和几何学来控制活性材料的行为，并为活性流体的定量力学表征提供了新的途径。
Curvature-induced defect unbinding and dynamics in active nematic toroids
Perry W. Ellis, et al.
Nature Physics 14, 85 (2018)
www.nature.com/articles/nphys4276
图形结构在控制动态网络中的作用及其在神经系统中的应用
网络化系统显示了组件之间复杂的交互模式。在物理网络中，这些交互通常发生在采用硬连线连接拓扑的组件的结构连接上，可支持各种系统范围的动态行为，例如同步。尽管对这些行为的描述很重要，但它们也只是理解和利用网络拓扑与系统行为之间关系的第一步。在这里，作者使用线性网络控制理论来推导出精确的闭合表达式，这些表达式将结构连接子集的连通性与控制联网系统所需的最小能量联系起来。为了说明数学的实用性，作者还将这种方法应用于最近由果蝇、小鼠和人类大脑重建的高分辨率连接体上。最后，作者根据以上这些原理，认为人脑只需要微小的能量成本来支持多样化的网络动力学的同时还能保持对扰动的鲁棒性；并且通过去除网络中的单个边缘去实现临床上对大脑控制性能的有针对性的操纵。总的来说，作者的研究结果是基于对网络结构中控制系统行为的期望，并借由分布式控制直接激发了网络分析与设计的新方向。
Roleof graph architecture in controlling dynamical networks with applications toneural systems
Jason Z. Kim, et al.
Nature Physics 14, 91 (2018)
www.nature.com/articles/nphys4268
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延伸阅读：
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