Nature Physics导读-2018年3月
评论文章（Review Articles）
反铁磁装置中的自旋输运和自旋转矩
铁磁材料是传感器和存储领域的重要材料。然而，在磁性材料中更普遍存在的反铁磁材料却较少有实际应用。最近，科学家发现了可用于实际装置的反铁磁自旋电子学现象。这类实验实现了对Néel序的电学调控和探测，有助于研制基于反铁磁材料的存储装置。反铁磁存储单元不仅有很好的抗辐射、抗磁场等特性，而且本身也是多级存储，可用于类脑计算。反铁磁材料可以实现远高于现存的铁磁和半导体存储技术的切换速度。在本文中，作者评述了反铁磁材料中电子自旋输运和自旋转矩的最新研究进展，并讨论了这些研究在反铁磁材料或铁磁-反铁磁混合结构等存储装置中的应用。（刘宏超）
Spin transport and spin torque in antiferromagnetic devices
J. Železný, et al.
Nature Physics 14, 220 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-018-0062-7
反铁磁光自旋电子学
在现代科技中，存储和读取磁信息的主要原理就是在铁磁材料中控制和检测自旋序，但反铁磁材料的应用却很少。尽管反铁磁材料有一些有趣的性质，例如没有净磁化因而没有漏磁因而邻近装置不会相互干扰，没有宏观磁化因而反铁磁体中自旋操控比铁磁体速度更快。然而，在反铁磁体中进行自旋操控需要强磁场，而且反铁磁序无法用传统的磁测量手段检测。在本文中，作者概述并举例说明了用电磁辐射来探测及调控反铁磁序的方法。此外，作者还讨论了该领域未来可能的主要研究方向。（刘宏超）
Antiferromagnetic opto-spintronics
P. Němec, et al
Nature Physics 14, 229 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-018-0051-x
拓扑反铁磁自旋电子学
最近实验实现了对反铁磁自旋的电学操控和探测，进而打开了自旋电子学的新篇章。在本文中，作者评述了反铁磁自旋电子学与实空间、动量空间拓扑之间的关系。这是一个新兴的研究领域，该领域的热门课题包括在反铁磁拓扑超导体中实现Majorana费米子，通过调节反铁磁序参量来操控拓扑保护的狄拉克点，以及在净磁矩为零的反铁磁体中实现反常和拓扑霍尔效应。作者解释了这些方案背后的基本物理概念，并讨论了拓扑反铁磁自旋电子学的潜在应用价值。（刘宏超）
Topological antiferromagnetic spintronics
L. Šmejkal, et al
Nature Physics 14, 242 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-018-0064-5
快报（Letters）
阿秒电子脉冲序列的衍射和显微术
阿秒光谱学对电子过程有很好的时间分辨特性。但由于波长过大（约为原子间距的100倍）加上光源-样品间的纠缠效应，阿秒光谱无法记录时间-空间信息。本文中作者利用自由电子代替高次谐波光子，将空间分辨率改进到皮米尺度（亚原子分辨）。作者采用激光的周期性电场调制一束70 keV的电子流（德布罗意波长为4.5皮米），进而得到持续时间低于光周期的电子序列。作者在晶体硅上的时间分辨衍射过程中观测到布拉格散射出现了小于10阿秒的延迟，这一结果表明同时解析阿秒时间分辨和埃空间分辨率是可行的。利用实空间电子显微技术，作者在亚光周期分辨率精度上展示了光在时间和空间上如何传播。这一研究将阿秒科学和电子显微术、衍射术结合起来，可用于电子显微术适合的各种样品形态，针对光驱动过程进行时空成像。（刘宏超）
Diffraction and microscopy with attosecond electron pulse trains
Yuya Morimoto and Peter Baum
Nature Physics 14, 252 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0007-6
黑体辐射引起的原子间吸引力
有限温度下物体会发生热辐射，表现为向外传播的能-动量流和辐射压。在室温下，铯原子黑体辐射平均每108年发射不到一个光子，因此原子间黑体辐射引起的散射力一般可忽略不计。然而，原子和热电磁场也有相互作用。在本文中，作者测量了铯原子和一个受热的厘米尺寸圆柱体之间的黑体辐射吸引力，这个力比向外的辐射压力大几个数量级。通过原子干涉，作者发现吸引力与圆柱体温度的四次方成正比。该吸引力与热辐射场中原子基态的交流斯塔克效应的预测结果很好地符合，并且在很大温区范围内都超过引力和辐射压力。（刘宏超）
Attractive force on atoms due to blackbody radiation
P. Haslinger, et al.
Nature Physics 14, 257 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0004-9
自由电子激光激发的原子系综的超辐射
Dicke于1954年预言了多原子激发的加速初始衰减，进而为超辐射的概念奠定了理论基础。更深入的研究发现一旦系统达到了反转阈值，总能量辐射也有类似的加速特征。尽管总能量超辐射已经被大量实验所证实，但初始衰减的加速却没有被实验观测到。本文作者用一个X射线自由电子激光器发射一个脉冲，使68个原子同时相干激发以组成退激发链，然后用57Fe原子穆斯堡尔相变的X射线进行共振衍射，研究退激发链上每个光子的超辐射衰减。当激发数量增多时，作者发现了加速的初始衰减，印证了Dicke的理论预言。此外作者还发现实验结果与一个简单的统计模型相符，这为讨论超辐射更深层的性质提供了全新的起点。（刘宏超）
Superradiance of an ensemble of nuclei excited by a free electron laser
A. Chumakov, et al.
Nature Physics 14, 261 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0001-z
观察拓扑体系淬火后的动态涡旋
拓扑相是存在非局域序参量的新物态。六角晶格上的Haldane模型具有拓扑性质，其拓扑不变量可以用第一陈数来描述。最近，该系统中非平衡态拓扑特征的确认引起了研究者的广泛关注。在本文中，作者针对光晶格中自旋极化的费米型原子，使用时间分辨和动量分辨的全态断层摄影技术，研究其波函数的动态演变。在体系接近拓扑相变时突然淬火，作者观测到动量空间中动态涡旋的出现、运动和湮灭。这些动态涡旋可被解释为Loschmidt振幅的动态Fisher零点，是动力学相变的标志性特征。这些实验结果有助于更深入地理解拓扑相和非平衡动力学之间的联系。（刘宏超）
Observation of dynamical vortices after quenches in a system with topology
N. Fläschner, et al.
Nature Physics 14, 265 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0013-8
玻色-爱因斯坦凝聚体
在量子临界点的相干暴胀动力学
从凝聚态物理到宇宙学，多体系统基态之间的量子相变受到了非常广泛地研究。这个相变的重要特征是一个新的序参量迅速增长，在宇宙学中这个阶段叫做暴胀，并随之形成拓扑缺陷。暴胀是如何发生，又如何演化为拓扑缺陷，这个问题至今仍然存在争议。超冷原子气体是可以用于研究量子临界性的纯净并且可调节的平台。本文作者观测到玻色-爱因斯坦凝聚体经过量子临界点时出现的相干暴胀动力学，体系密度波的强度和数量都呈现指数增长。在暴胀阶段结束之后，在实空间和动量空间都明显呈现出扩展的相干动力学态。作者对该系统的量子临界性给出了直观的描述，并证实了相位涨落对于形成拓扑缺陷是必要的。（刘宏超）
Coherent inflationary dynamics for Bose–Einstein condensates crossing a quantum critical point
L. Feng, et al.
Nature Physics 14, 269 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0011-x
纠缠自旋链中的量子临界性
量子自旋液体的明确识别是磁性研究中的一个难题，并且对于量子计算也有潜在的重要性。在量子自旋液体中，自旋存在量子涨落而不是像经典的长程序那样被冻结。这就要求系统的经典序被几何阻挫抑制，此外一个理想的系统需要通过外界参量调节量子涨落。常规的三维反铁磁体外加强磁场可以被调节到量子临界点，但该系统在临界点附近受比热峰值过低所限，几乎没有熵能用于量子涨落。本文作者研究了一个不同种类的反铁磁体，由弱耦合的反铁磁自旋1/2链组成，类似于K2PbCu(NO2)6的结构。在经过反铁磁和顺磁相的温度-磁场边界时，体系比热出现了一个很大的峰值，其数值与孤立量子自旋链的自旋子索末菲系数相差不大。这些实验结果表明，通过加磁场引起熵转移可以产生新的量子物态。（刘宏超）
Quantum criticality among entangled spin chains
N. Blanc, J.Trinh, et al.
Nature Physics 14, 273 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0010-y
二维铁磁绝缘体中的配位场螺旋发光
体态碘化铬（CrI3）一直被认为是多层范德瓦尔斯结构铁磁体。最近研究发现，单层碘化铬可被剥离而成为真正的二维铁磁体，这有助于研究单原子层极限下的光-物质相互作用和磁-光现象。本文作者发现了单层碘化铬在线偏振激发下的圆偏振光致发光。与此不同的是，双层碘化铬中的光致发光没有圆偏振特征，这个结果与最近发现的双层碘化铬存在反常反铁磁层间耦合是一致的。通常在二维范德瓦尔斯型半导体中主导光学响应的是Wannier-Mott激子，但本文作者发现配位场和电荷转移对于单层碘化铬的光电响应很重要，作者将这种特殊的光致发光归因于Cr3+化合物所特有的宇称禁戒的d-d电子跃迁过程。（刘宏超）
Ligand-field helical luminescence in a 2D ferromagnetic insulator
K. Seyler, D. Zhong, et al.
Nature Physics 14, 277 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0006-7
耦合化学振子中的螺旋波嵌合态
由很多全同耦合振子构成的系统中，相干和非相干动力学共同存在，被称为嵌合态（chimera state）。自从2002年被发现以来，这种不符合直觉的动力学行为受到了很多理论和实验研究的关注。螺旋波嵌合态是嵌合态的一个典型例子。在这个态中，一个有序的螺旋波绕着一个由异步振子形成的核心旋转。螺旋波嵌合态于2004年被理论预言，并被广泛地进行数值研究。本文作者将大量非局域耦合的Belousov–Zhabotinsky化学振子组成了二维阵列，在实验上证实了螺旋波嵌合态。作者描述了之前未被报道的螺旋波嵌合态时空动力学，包括异步螺旋核心的漂移，核心的生长和分裂，以及嵌合态到无序态的转变。（刘宏超）
Spiral wave chimera states in large populations of coupled chemical oscillators
J. F. Totz, et al.
Nature Physics 14, 282 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0005-8
多细胞组织的演化、
细胞包装和机械应力
多细胞组织的演化为生物多样性创造了可持续发展的条件。然而，人们对此过程的一个基本要素仍不清楚：即当外部应力足以破坏细胞间连接时，组织如何逐步增大尺寸。在本文中作者展示多细胞雪花样酵母菌组织受到挤压导致的机械应力会发生断裂。经过7周实验（约291个世代），作者每天挑选大尺寸的组织，发现雪花样酵母菌的半径增大了1.7倍，并可以有效缓解内部应力的积累。在这个过程中，组织中的细胞变长，细胞体积占到组织体积比重在减小。自由空间的增加有效缓解了细胞生长导致的内部应力，并减少了断裂，最终导致组织尺寸增大。这个工作揭示了多细胞组织的一个重要过程：自然选择可以很容易地找到一种简单方案来应对生长带来的空间限制。
Cellular packing, mechanical stress and the evolution of multicellularity
S. Jacobeen, et al.
Nature Physics 14, 286 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0002-y
文章(Articles)
量子态违背工具变量测试
从实验观测得出因果关系对科学研究非常重要，而工具变量测试是完成这一目标的必要工具，它允许存在隐变量因素时也能估计出因果依赖关系。基于Bell定理，量子力学违背了通常人们对因果律的大多数基本理念。那么能否把经典的工具变量因果律延伸到量子领域，以及如何做到这样的转变是极为重要的。本文作者提出量子效应导致工具变量图景发生根本性地变化，纠缠量子态违背了通常的工具变量测试。作者采用主动前馈信息的光学实验证实了这一论断。这些理论和实验结果有助于加深我们对因果律推断的理解，也可能引发量子技术的新应用。（刘宏超）
Quantum violation of an instrumental test
R. Chaves, G. Carvacho, et al.
Nature Physics 14, 291 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0008-5
利用冲击加压产生超离子水冰
与普通冰截然不同，Ih水冰（water ice）存在于行星内部高温高压条件下，它被预言是一个超离子态，其中氢离子像液体一样在固态氧晶格中快速扩散。超离子水冰很可能是构成绝大部分冰型巨行星的物质，但至今还未在实验室中发现这一物态。本文作者通过激光驱动冲击压缩水冰的VII相，使得处于190GPa高压下的冰在5000K高温下熔化。光学反射和吸收测量证实该体系存在较低的电导率。这些结果为近30年前的理论预言提供了实验证据，即在行星内部的高温高压条件下水冰存在超离子传导过程。（刘宏超）
Experimental evidence for superionic water ice using shock compression
M. Millot, S. Hamel, et al.
Nature Physics 14, 297 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0017-4
在室温下石墨烯-过渡金属硫化物
异质结中的强各向异性自旋弛豫
根据理论预言，当石墨烯和过渡金属硫化物（TMD）形成界面时，自旋轨道耦合会有很大的增强。这一增强特征已经被实验报道过，但是该系统中的自旋弛豫未被研究。本文作者采用石墨烯与WS2或MoS2构成的双层异质结，证实了体系存在各向异性的自旋动力学。作者观测到不同指向的自旋寿命可以相差一个数量级，当自旋指向石墨烯平面外时达到最大值。该实验表明过渡金属硫化物中很强的自旋-能谷耦合效应影响了双层异质结中传输的自旋。这些发现对于探索自旋-能谷现象和操控自旋自由度提供了新的研究平台。（刘宏超）
Strongly anisotropic spin relaxation in graphene–transition metal dichalcogenide heterostructures at room temperature
L. A. Benítez, et al.
Nature Physics 14, 303 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0019-2
人工磁准晶中的阻挫和热化
人工阻挫系统是研究相互作用系统演生性质的平台。目前大多数实验都是在具有空间周期的系统上完成的，比如磁相互作用的人工自旋冰。本文作者基于准周期Penrose瓷砖阵列构筑了人工磁准晶，并且用逐步逼近法构造系统的基态。拓扑导致的演生阻挫意味着这个基态无法由旋涡态构造。基态包含两个部分，一部分是具有长程序并延伸到整个模式的准一维骨架，另一部分是围绕在骨架周围有宏观简并度的自旋团簇。对于该Penrose瓷砖阵列的磁力显微成像表明，耦合越强的阵列有更大的超磁畴。（刘宏超）
Frustration and thermalization in an artificial magnetic quasicrystal
D. Shi, Z. Budrikis, et al.
Nature Physics 14, 309 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0009-4
流体导航波系统中的统计投影效应
处于振动的流体表面上的毫米级液滴可以感受到自身导航波场的共振作用而发生移动。这些行动的液滴（walkers）呈现出一些以往被认为只存在于微观系统的量子特征。例如，处于圆形围栏中的行动液滴的统计特征呈现出波动行为，让人联想到量子围栏中的电子行为。在本文中，作者展示了椭圆形围栏中的行动液滴的统计特征也类似于量子围栏中的电子。作者展示了一个淹没的圆形阱会吸引行动液滴，导致行动液滴空间分布出现极值。特别有趣的是，当把这个淹没的圆形阱放置到椭圆围栏的一个焦点处时，围栏多重散射的投影效应会导致另一个焦点处行动液滴的统计也出现极值。这一结果与椭圆形量子围栏中Kondo束缚态导致的共振量子幻影现象（quantum mirage）非常相似。此外，作者发现导航波场的平均值与行动液体统计特征一致。这一研究展示了流体力学和量子力学有一定程度的相似性。
Statistical projection effects in a hydrodynamic pilot-wave system
P. J. Sáenz, et al.
Nature Physics 14, 315 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0003-x
————
其他相关导读