PRL导读-2022年129卷13期
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01 普通物理：统计与量子物理（7篇）
10 软物质与交叉科学（3篇）
01
普通物理：统计与量子物理
责编：任捷
01-01
n-量子比特稳定算符量子力学的高效互文本体论模型
在量子计算中研究互文性的最著名的工具是n量子比特稳定算符态（Stabilizer state）的tableau表示。作者提供了一个扩展，它不仅描述了量子态，而且也是结果确定的。该扩展允许对指数级多的泡利可观测量赋值，但在内存和计算复杂度上仍然是二次的。此外，作者还表明，用于互文性和测量扰动的机制是完全独立的。该模型将有助于研究互文性在n量子比特量子计算中的作用。
（谭宇涛）
Efficient Contextual Ontological Model of n-Qubit Stabilizer Quantum Mechanics
Christoffer Hindlycke and Jan-Åke Larsson
Phys. Rev. Lett. 129, 130401 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.130401
01-02
合成非阿贝尔规范场中的波包动力学
[编辑推荐] 研究人员在接近绝对零度的锶原子气中产生了难以研究的量子现象的类似物。
人们普遍认为，在量子力学中，电磁势具有经典物理学中所没有的物理意义，如Aharonov-Bohm效应所说明的那样。1984年，Berry将这种效应解释为几何相因子。同年，Wilczek和Zee将Berry相的概念推广到简并能级，并表明在这些系统中出现了一个非阿贝尔规范场。与阿贝尔情况形成鲜明对比的是，空间均匀的非阿贝尔规范场可以诱导粒子的非惯性运动。作者用一个受二维合成SU(2)非阿贝尔规范场作用的简并费米子原子气来探讨这一有趣的现象。作者揭示了非惯性动力学的自旋霍尔性质，以及由于系统自旋纹理而在振幅和频率上呈现的各向异性。作者最后画出了观测到的波包动力学与相对论狄拉克方程中著名的Zitterbewegung效应的异同。
（谭宇涛）
Wave Packet Dynamics in Synthetic Non-Abelian Gauge Fields
Mehedi Hasan, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 130402 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.130402
01-03
I>1/2的离子超精细量子比特的高保真态制备与测量
作者提出了一种利用核自旋大于I=1/2的捕获离子超精细量子比特实现高保真态制备和测量(SPAM)的方法。这些较高核自旋同位素的基态不能提供一个简单的频率选择态制备方案。作者通过频闪驱动强和弱跃迁，混合使用偶极跃迁的快速光泵浦和窄微波或光学四极跃迁来克服这一限制。作者用I=3/2同位素137Ba+演示了这种方法，实现了SPAM的失真度为(9.0±1.3)×10−5(−40.5±0.6 dB)，这促进了在量子计算中使用波长和质量良好的更广泛的离子同位素。
（谭宇涛）
High Fidelity State Preparation and Measurement of Ion Hyperfine Qubits with I>1/2
Fangzhao Alex An, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 130501 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.130501
01-04
基于三能级发射极的光子无源量子相位门
作者提出了一种实现在一维波导中运动的两个光子之间的量子相位门的完全无源方法。该门基于三能级V型结构中的手性耦合发射极，仅通过光子场的相互作用而不需要任何外部控制场。作者描述了新出现的极化激元态的（非）线性散射，并表明对于近共振光子，在多个发射极的限制下，散射动力学直接在入射光子之间实现了完美的控制相位门。对于有限数量的发射器，作者表明可以通过简单的频率滤波器来抑制主要的误差机制，但代价是成功概率略有降低。通过与精确的散射矩阵理论像比较，作者验证了结果，并表明保真度可以达到F∼99%，当只有8个发射极时，门成功的概率>99%。
（张丹妹）
Passive Quantum Phase Gate for Photons Based on Three Level Emitters
Björn Schrinski, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 130502 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.130502
01-05
优化利用噪声测量的贝叶斯信息引擎
[编辑推荐] “滤波”算法使信息引擎即使在受到高噪声影响时也能高效执行。
作者实验性上实现了一个信息引擎，它由一个光学捕获的、水中的重珠组成。该装置在一个有利的“向上”热涨落后抬高捕获中心，从而增加珠子的平均重力势能。在存在测量噪声的情况下，较差的反馈决策会降低其性能；低于临界信噪比时，引擎发生相变，无法储存任何引力能量。然而，使用珠子位置的贝叶斯估计进行反馈决策可以在所有测量噪声强度下提取重力能量，并在临界信噪比下获得最大的性能效益。
（张丹妹）
Bayesian Information Engine that Optimally Exploits Noisy Measurements
Tushar K. Saha, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 130601 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.130601
01-06
量子电池中的纠缠、相干和可提取功
作者研究了量子电池中量子资源与可提取功之间的关系。作者证明，电池中的量子相干或者电池充电器纠缠是充电过程中产生非零可提取功的必要资源。在充电过程的最后，作者还建立了相干和纠缠与最终可提取功的紧密联系：相干促进相干功，而相干和纠缠会抑制非相干功。作者还表明，获得最大相干功比获得最大非相干功更快。从中心自旋电池和Tavis-Cummings电池到自旋链电池的例子都说明了这些结果。
（张丹妹）
Entanglement, Coherence, and Extractable Work in Quantum Batteries
Hai-Long Shi, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 130602 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.130602
01-07
在量子计算机上用涨落关系计算自由能
作为一个热力学的核心性质，自由能可以计算一个物理系统的几乎任何平衡特征，从而构建相图和预测运输、化学反应以及生物过程。因此，有效的计算自由能，虽然一般来说比较困难，但是在物理学和自然科学的广泛领域都非常受关注。大多数计算自由能的技术都针对经典系统，而对量子系统中自由能的计算研究较少。最近发展起来的涨落关系使人们能够从一系列动力学模拟中计算量子系统中的自由能差。虽然在经典计算机上执行这样的模拟的难度为指数级，但是量子计算机可以有效地模拟量子系统的动力学。这里，我们提出了一种算法，利用一种被称为Jarzynski等式的涨落关系来估计量子计算机上量子系统的自由能差。我们探讨了在什么条件下我们的近似变得精确，以及在什么条件下它可作为一个严格的上限。此外，我们在一个真实的量子处理器上使用横场Ising模型成功地演示了我们算法的概念的证明。随着量子硬件的不断改进，我们预计我们的算法将能够为很多的量子系统计算自由能差，这对整个自然科学的研究都会有所帮助。
（杨晨温）
Computing Free Energies with Fluctuation Relations on Quantum Computers
Lindsay Bassman Oftelie, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 130603 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.130603
02
引力与天体物理
导读：闫若帝；责编：郭敏勇
02-01
非对易量子引力模型上最强的原子物理限制
Investigations of possible violations of the Pauli exclusion principle represent critical tests of the microscopic space-time structure and properties. Space-time noncommutativity provides a class of universality for several quantum gravity models. In this context the VIP-2 lead experiment sets the strongest bounds, searching for the Pauli exclusion principle violating atomic transitions in lead, excluding the θ-Poincaré noncommutative quantum gravity models far above the Planck scale for nonvanishing θμν electriclike components, and up to 6.9 × 10−2 Planck scales if θ0i = 0.
Strongest Atomic Physics Bounds on Noncommutative Quantum Gravity Models
Kristian Piscicchia, Andrea Addazi and et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 131301 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.131301
02-02
用力学系统寻找变色龙暗能量
暗能量的光标量场框架，有时被称为第五元素，在正常物质物体之间引入了第五种力。筛选机制，例如变色龙模型，允许在宇宙尺度上的标量场几乎无质量，同时避开实验室限制。该研究通过探索现有力学系统在天体物理中可能存在的状态，直接检测与变色龙模型相关的第五种力的能力，其中它可能是暗能量。作者根据实验可调变量为可研究的最弱变色龙模型参数提供解析表达式，并将分析结果应用于两个力学系统：悬浮微球和扭力平衡，表明当代实验在灵敏度方面有能力排除很大一部分变色龙参数空间。该研究还指出了理论上良好的变色龙参数空间的区域，以指导未来的实验工作。
Searching for Chameleon Dark Energy with Mechanical Systems
J. Betz, J. Manley and et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 131302 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.131302
03
基本粒子与场论
责编：晁伟，刘晓辉
03-01
带质量费米子的非微扰耦合
有24个无质量费米子的SU(2)规范场论在大距离上是没有相互作用的，也就是说它在无耦合处有个红外不动点。对于有质量费米子，我们预期这些费米子在低于费米子质量的能量尺度退耦，因此它们的红外行为是禁闭SU(2)纯规范理论。作者通过非微扰的格点蒙特卡洛模拟来测量跑动耦合的梯度流来证实了这一行为。
Nonperturbative Decoupling of Massive Fermions
Tobias Rindlisbacher, Kari Rummukainen, Ahmed Salami, and Kimmo Tuominen
Phys. Rev. Lett. 129, 131601 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.131601
03-02
纠缠 对的衰变参数和CP反对称的精确测量
Based on 10 billion events collected at the BESIII experiment, a search for CP violation in Λ decay is performed in the difference between CP-odd decay parameters for and for by using the process . With a five-dimensional fit to the full angular distributions of the daughter baryon, the most precise values for the decay parameters are determined to be and , respectively. The and averaged value of the decay parameter is extracted to be αavg=0.7542±0.0010±0.0024 with unprecedented accuracy. The CP asymmetry is determined to be −0.0025±0.0046±0.0012, which is one of the most precise measurements in the baryon sector. The reported results for the decay parameter will play an important role in the studies of the polarizations and CP violations for the strange, charmed and beauty baryons.
Precise Measurements of Decay Parameters and C P Asymmetry with Entangled Pairs
M. Ablikim et al. (BESIII Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 129, 131801 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.131801
03-03
用格点QCD计算π介子和K介子分布振幅
作者用大动量有效理论通过格点QCD第一性原理计算了π介子和K介子的光锥分布振幅（DAs）.计算使用了三个格距a≈{0.06,0.09,0.12} fm以及物理的π介子和K介子质量，以及介子动量Pz={1.29,1.72,2.15}GeV。结果通过最近提出的带有子重整化的混合方案进行了非微扰重整化，并可靠地外推到连续以及无限大动量极限。作者发现π介子和K介子的DAs与渐进形式有很大的区别，并且发现了K介子DA中有很大的SU(3)味破坏效应。
Pion and Kaon Distribution Amplitudes from Lattice QCD
Jun Hua, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 132001 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.132001
04
原子核物理
导读：王亚坤；责编：耿立升
04-01
利用深地实验测量s过程和i过程伽莫夫窗口内的13C(α, n)16O反应
13C(α, n)16O 反应是渐进巨支星中慢中子俘获过程和中间过程的主要中子源。由于反应截面过小且存在大量的宇宙射线诱发本底，很难在地面实验室中直接测量天体物理能量处的13C(α, n)16O 反应。JUNA合作组利用中国锦屏深地实验室和四川大学的加速器，首次对质心能量在0.24到1.9 MeV范围内的13C(α, n)16O 反应进行了一致的、直接的测量。他们测量的能量范围几乎涵盖了整个中间过程的伽莫夫窗口，将之前实验中大的不确定性从60%降低至15%，消除了由于现有数据库的不一致性所导致的数据外推时的系统不确定性，为研究慢中子俘获过程、中间过程以及（该工作中首次直接得到的）近阈值态的 α 强度提供了更加可靠的反应率。
Deep Underground Laboratory Measurement of 13C(α, n)16O in the Gamow Windows of the s and i Processes
B. Gao et al. (JUNA Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 129, 132701 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.132701
04-02
55,56Ni的电荷半径揭示Ca和Ni同位素在N = 28处具有惊人的相似行为
Felix Sommer等人利用共线激光谱仪，测量了原子核55,56Ni 的电荷半径。得到的信息完善了双幻核56Ni 满壳附近处电荷半径的行为。尽管56Ni核芯被认为比48Ca核芯要软的多，但Ca和Ni同位素的电荷半径在跨越满壳的变化趋势却惊人的相似。测得的55Ni的磁矩非常低，其值为 μ (55Ni) = -1.108 (20) μN，这暗示了N, Z = 28壳隙处自旋-轨道伙伴态之间M1激发的影响。他们将电荷半径的实验结果与第一性原理和原子核密度泛函理论的计算结果进行了对比，在理论不确定度范围内，理论与实验很好地符合。
Charge Radii of 55,56Ni Reveal a Surprisingly Similar Behavior at N = 28 in Ca and Ni Isotopes
Felix Sommer et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 132501 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.132501
05
原子、分子与光学
导读：冉光柳；责编：张文凯
05-01
Floquet-Bloch疤痕强化离散时间晶体
作者分析确定了一类新的受时空平移对称保护的量子疤痕，称为Floquet-Bloch疤痕。它们与以前的（准）静态疤痕不同，因为只有在Floquet系统中才可能存在刚性光谱对，在Floquet系统中，强相互作用和驱动平衡了所有疤痕的准能量校正，并保持它们的光谱间距免受一般双线性扰动的影响。疤痕加强了空间局域化和刚性离散时间晶体(DTC)振荡，这在与最近冷原子实验相关的三聚化kagome晶格模型中得到了数值验证。作者的分析解决方案提供了一个潜在的方案来理解更通用的平移不变时间晶体的机制。
Discrete Time Crystals Enforced by Floquet-Bloch Scars
Biao Huang, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 133001 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.133001
05-02
Kr2光电离延迟中的双中心干涉
作者给出了kr2电离延时中双中心干涉的实验观测结果。利用阿秒电子-离子符合光谱，作者同时测量了氪单体和二聚体的光电离延迟。作者发现，相对时间延迟会随着电子动能的变化而振荡，这种效应可以追溯到从两个原子中心发射或散射的光电子波包的相长干涉和相消干涉。作者对实验结果的解释得到了一维双阱势的非时间依赖的薛定谔方程的求解以及Kr2的耦合通道多组态量子散射计算的支持。这项工作为研究光电离延迟中的一类广泛的量子干涉效应打开了大门，并证明了阿秒符合光谱在研究弱束缚系统方面的潜力。
Two-Center Interference in the Photoionization Delays of Kr2
Saijoscha Heck, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 133002 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.133002
05-03
具有任意辅助量子比特的变分纠缠辅助量子过程断层扫描
量子过程断层扫描是全面表征量子动力学的一项关键技术。然而，随着系统规模的增加，希尔伯特空间的指数缩放极大地限制了其实验实现。在此，作者提出了一种更有效、灵活和减少误差的方法：带任意辅助量子位的变分纠缠辅助量子过程断层扫描。在数值上，作者模拟了多达8个量子比特的量子过程，并表明这种带有m(0≤m≤n)个辅助量子比特的断层扫描减轻了状态准备的成本(从4n到2n-m)、测量设置(至少减少了1个数量级)和数据后处理(高效且鲁棒的参数优化)方面的成本。在实验上，作者首先在硅光子芯片上通过重建随机生成的单量子位和双量子位的幺正量子过程来证明作者的方法。进一步使用误差抑制方法，可以重建两个量子比特过程，平均门保真度从92.38%提高到95.56%。作者的快报提供了一个在噪声量子计算平台上处理断层扫描的有效和实用的方法。
Variational Entanglement-Assisted Quantum Process Tomography with Arbitrary Ancillary Qubits
Shichuan Xue, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 133601 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.133601
06
非线性动力学和流体力学
导读：李海鹏；责编：兰岳恒
06-01
利用放大媒质克服介电谐振器尺寸的衍射极限
现有亚波长谐振器的创建方法要么使用具有负介电常数的结构（通过利用亚波长等离子体共振），要么使用能减小波长的高折射率介电结构。在这里，Doronin等人提供了这两种方法的一个替代，该方法利用有源媒质修改介电谐振器的模式。在尺寸远小于光半波长的介电活性层示例中，作者证明存在一个增益，超过它时，由层边界处反射引起的相位变化补偿了层上传播引起的相位变化。超过这个增益值，就会形成非常规模式，在这种模式下，光往返一圈的相移为零。文章表明，可以利用这种模式来生成激光，其尺寸远小于生成光的波长，并且与有源媒质折射率绝对值的平方成反比。本文的结果为创造亚波长尺寸的介电激光器铺平了道路。
(李海鹏)
Overcoming the Diffraction Limit on the Size of Dielectric Resonators Using an Amplifying Medium
I. V. Doronin, E. S. Andrianov, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 133901 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.133901
06-02
用偏振结构光束抑制非线性光学怪波的形成
A nonlinear self-focusing material can amplify random small-amplitude phase modulations present in an optical beam, leading to the formation of amplitude singularities commonly referred to as optical caustics. By imposing polarization structuring on the beam, we demonstrate the suppression of amplitude singularities caused by nonlinear self-phase modulation. Our results are the first to indicate that polarization-structured beams can suppress nonlinear caustic formation in a saturable self-focusing medium and add to the growing understanding of catastrophic self-focusing effects in beams containing polarization structure.
Suppression of Nonlinear Optical Rogue Wave Formation Using Polarization-Structured Beams
A. Nicholas Black, Saumya Choudhary, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 133902 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.133902
06-03
局域色散光子晶体中不明确的拓扑相
近年来，拓扑材料及其迷人的性质引起了人们极大的兴趣。拓扑能带理论最初是为凝聚态系统发展起来的，但它可以很容易地应用于任意波平台，只需很少的修正。因此，光学系统的拓扑分类通常被认为在数学上等同于凝聚态物质系统的分类。令人惊讶的是，在这里Prudencio等人发现，粒子-空穴对称性和非互易光子材料的色散性质都可能导致通常的拓扑方法失效，Chern拓扑变得不明确。结果表明，由于等离子体系统光子态密度的发散，尽管相关的参数空间是紧致的，但间隙Chern数可以是非整数。为了明确色散光子晶体的拓扑结构，必须考虑体材料中的非局部效应。文章提出两种不同的正则化方法来解决遇到的问题。这里的结果显示，正则化拓扑可能严重依赖于块材料对大k的响应。
(李海鹏)
Ill-Defined Topological Phases in Local Dispersive Photonic Crystals
Filipa R. Prudêncio and Mário G. Silveirinha1
Phys. Rev. Lett. 129, 133903 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.133903
06-04
水下环形气泡的声共振频率
Underwater bubbles display an acoustic resonance frequency close to spherical ones. In order to obtain a resonance significantly deviating from the spherical case, we stabilize bubbles in toroidal frames, resulting in bubbles which can be slender while still compact. For thin tori the resonance frequency increases greatly. Between a pair of bubble rings, we can achieve a flat acoustic pressure field for a critical distance between rings, a condition reminiscent of Helmholtz coils in magnetostatics. This opens the possibility to shape the acoustic field using long tunnels of rings.
Acoustic Resonance Frequencies of Underwater Toroidal Bubbles
M. Alloul , B. Dollet, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 134501 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.134501
07
等离子体与束物理
责编：陈少永，牟茂淋
07-01
由相对论激光与固体相互作用产生的均匀、微米级高能量密度物质
短脉冲激光与固体相互作用为研究复杂高能量密度物质提供了一个独特的平台。N. F. Beier等人首次展示了由高对比度、400 nm波长、强度高达2×1021W/cm2的激光均匀加热的固体密度、微米级keV等离子体。X射线发射的高分辨率光谱分析显示，在1μm深度上，均匀加热可达3. 0keV。PIC模拟表明，均匀加热的keV等离子体的深度可达2μm。显著的整体加热和靶深处的高度电离离子的存在是由于少数MeV热电子在目标鞘场内被俘获并经历回流。这些条件使在高能量密度环境中电离势下降的原子物理模型得以区分。
（刘泰齐）
Homogeneous, Micron-Scale High-Energy-Density Matter Generated by Relativistic Laser-Solid Interactions
N. F. Beier, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 135001 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.135001
07-02
地球辐射带中电磁离子回旋波对相对论电子的非共振散射
在地球辐射带的典型条件下，电磁离子回旋波预计会发生俯仰角散射并导致相对论（> 1 MeV）电子的大气沉淀。然而，与这些波不共振的数百keV范围（但<1 MeV）的相对论电子如何与>1 MeV的电子同时沉淀，这一直是一个谜。Xin An等人证明，当波包很短时，非共振相互作用通过在波数空间中引入扩展来实现百keV电子的散射。该研究扩展了准线性扩散模型以包括非共振效应。根据波包的短小程度，该模型显示出散射率在低于最小共振能量时呈指数衰减。这个广义模型自然地解释了观察到的数百keV非共振电子沉淀与> 1MeV电子沉淀同时发生。
（刘泰齐）
Nonresonant Scattering of Relativistic Electrons by Electromagnetic Ion Cyclotron Waves in Earth’s Radiation Belts
Xin An, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 135101 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.135101
08
凝聚态物理：结构
责编：殷志平
08-01
非线性谐振子链中的自诱导狄拉克边界态及其数字化
许多凝聚态物质和超材料体系中的低能激发可以用狄拉克方程很好地描述。与这些集体激发相关的质量项也被称为Dirac质量。Dirac质量可以取任何值，由Dirac质量可直接确定该体系的带结构中是否呈现带隙或具有线性色散的Dirac点。对狄拉克质量的调控激发了能带结构工程和电子约束的新方法。值得注意的是，已经由研究表明无质量态必然位于划分具有不同符号的狄拉克质量区域的任何畴壁上。这些局域态被称为Jackiw-Rebbi型Dirac边界模，其可调谐性和局域特性具有宝贵的技术潜力。在该研究中，作者通过实验证明了1维 Dirac材料内的非线性可以导致Dirac质量的自感生畴边界。该实验在dimer磁性的超材料中进行的，在该超材料中可实现控制局部材料非线性的大小，符号以及Dirac质量的符号。作者发现，在自感生畴边界出现的无质量束缚态的类似于绝缘体中的掺杂点，当被驱动到激发阈值以上时，材料的导电性会出现明显的二元转换。
（彭怡然）
Self-Induced Dirac Boundary State and Digitization in a Nonlinear Resonator Chain
Gengming Liu et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 135501 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.135501
08-02
硫族化物相变材料中局部关联结构的光致超快相变
揭示具有复杂晶格结构的功能材料中的成键和时间演化原子动力学可以更新其中丰富物理的基础知识，也有助于根据需要操纵材料性质。作为最典型的硫族化物相变材料，Ge2Sb2Te5由于其开关速度快、能耗低，被广泛应用于光学数据存储和非易失性电记忆。然而，对原子尺度结构动力学的基本认识仍不清楚。通过飞秒电子衍射、结构因子计算和时间依赖密度泛函理论分子动力学模拟，作者揭示了Ge2Sb2Te5平均岩盐相中局部关联结构的光致超快相变。Ge2Sb2Te5平均岩盐相中晶胞间随机取向的Peierls畸变称为局部关联结构。单个晶胞中局部Peierls畸变的超快抑制导致局部结构在∼0.3ps内从菱形变化到立方几何构造。此外，量化和讨论了载流子弛豫和大量空位对超快结构响应的影响。作者的信为局部关联结构对相变材料中瞬态结构和光学响应的贡献提供了新的微观见解。此外，作者强调了飞秒电子衍射在揭示亚晶胞中的局部关联结构以及具有复杂微观结构的功能材料中局部关联结构与物理性质之间的联系的重要性。
（郑鹏宇）
Photoinduced Ultrafast Transition of the Local Correlated Structure in Chalcogenide Phase-Change Materials
Yingpeng Qi et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 135701 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.135701
09
凝聚态物理：电子性质
责编：袁喆，马锋杰
09-01
超越累积量近似: Holstein系统中单粒子格林函数的幂级数修正
在单电子双轨道Holstein系统与无色散玻色子耦合的情况下，Pandey等人发展了一种使用幂级数修正(PSC)方案来修正单粒子格林函数的通用方法。他们通过PSC方案概述了累积近似的各种形式的推导，解释了它们背后的假设和近似。最后，他们将有累积量的PSC谱函数和精确对角化谱函数进行了比较，阐明了该问题的三种情况: 两种情况是累积量可以解释的，一种情况是累积量失效的。他们发现精确谱函数和PSC谱函数在三种情况下的谱展宽范围内是匹配的。
(赵鑫磊)
Going beyond the Cumulant Approximation: Power Series Correction to the Single-Particle Green’s Function in the Holstein System
Bipul Pandey and Peter B. Littlewood
Phys. Rev. Lett. 129, 136401 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.136401
09-02
深度学习泛函重整化群
We perform a data-driven dimensionality reduction of the scale-dependent four-point vertex function characterizing the functional renormalization group (FRG) flow for the widely studied two-dimensional t−t′ Hubbard model on the square lattice. We demonstrate that a deep learning architecture based on a neural ordinary differential equation solver in a low-dimensional latent space efficiently learns the FRG dynamics that delineates the various magnetic and d-wave superconducting regimes of the Hubbard model. We further present a dynamic mode decomposition analysis that confirms that a small number of modes are indeed sufficient to capture the FRG dynamics. Our Letter demonstrates the possibility of using artificial intelligence to extract compact representations of the four-point vertex functions for correlated electrons, a goal of utmost importance for the success of cutting-edge quantum field theoretical methods for tackling the many-electron problem.
Deep Learning the Functional Renormalization Group
Domenico Di Sante et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 136402 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.136402
09-03
共线反铁磁RuO2中自旋劈裂力矩的观测
自旋劈裂效应会通过反铁磁体中的自旋劈裂能带产生具有x方向和z方向自旋极化的非常规自旋流，所产生的力矩，即为自旋劈裂力矩。对于MRAM等自旋电子器件而言，在没有外部磁场的情况下，自旋劈裂力矩可以有效地操纵相邻磁性层中的磁化。在本文中，作者研究了具有(100)、(101)和(001)晶面的共线反铁磁RuO2中力矩的产生。作者在RuO2(101)中发现了依赖于Néel矢量方向的所有x、y和z方向极化的自旋流；对于RuO2(100) 和RuO2(001)，只存在y方向极化的自旋流，且与Néel矢量方向无关。利用z方向极化的自旋流，作者展示了室温下垂直磁化铁磁体的无场翻转。RuO2产生的自旋劈裂力矩被证实对磁化翻转现象有用，并为进一步理解自旋劈裂效应的详细机制和发展反铁磁自旋轨道电子学铺平了道路。
（郭儒达）
Observation of Spin-Splitter Torque in Collinear Antiferromagnetic RuO2
S. Karube et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 137201 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.137201
09-04
中心对称斯格明子材料Gd2PdSi3的磁相互作用
The experimental realization of magnetic skyrmion crystals in centrosymmetric materials has been driven by theoretical understanding of how a delicate balance of anisotropy and frustration can stabilize topological spin structures in applied magnetic fields. Recently, the centrosymmetric material Gd2PdSi3 was shown to host a field-induced skyrmion crystal, but the skyrmion stabilization mechanism remains unclear. Here, we employ neutron-scattering measurements on an isotopically enriched polycrystalline Gd2PdSi3 sample to quantify the interactions that drive skyrmion formation. Our analysis reveals spatially extended interactions in triangular planes, and large ferromagnetic interplanar magnetic interactions that are modulated by the Pd/Si superstructure. The skyrmion crystal emerges from a zero-field helical magnetic order with magnetic moments perpendicular to the magnetic propagation vector, indicating that the magnetic dipolar interaction plays a significant role. Our experimental results establish an interaction space that can promote skyrmion formation, facilitating identification and design of centrosymmetric skyrmion materials.
Magnetic Interactions of the Centrosymmetric Skyrmion Material Gd2PdSi3
J. Paddison et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 137202 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.137202
09-05
Cu2O中黄色里德堡系列激子的自克尔效应
[编辑推荐] 研究人员证明固体可以表现出通常只在冷原子气体中看到的增强非线性光学现象。
非线性光学具有极为重要的科学意义，开启了大量现在用于电信、数据存储、量子研究等领域的技术。作者研究了里德堡激子在Cu2O中的非线性折射。作者使用空间解析非线性相移的高精度干涉成像技术，在每个激子共振附近的极低激光强度下观察到显著偏移。由此，作者导出非线性指数n2，给出了主量子数n≥5的n2谱，并报道了10−3 mm2/mW阶的大n2值。此外，作者观察到克尔非线性的快速饱和，并发现饱和强度Isat随着n−7减小。作者用里德堡阻塞机制解释这一点，其中巨大的里德堡相互作用限制了激子密度，导致装置中的最大相移为0.5 rad。作者的结果强调了里德堡激子是固态非线性量子光学的有力候选者。
（刘芮西）
Self-Kerr Effect across the Yellow Rydberg Series of Excitons in Cu2O
C. Morin et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 137401 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.137401
09-06
用Operando电子全息术揭示金属-氧化物-半导体纳米电容器中的扩展电荷层
金属氧化物半导体(MOS)电容器是集成电路中的基本电气元件之一。虽然目前很多努力在集成新的电介质或铁电材料，但硅上的二氧化硅电容器仍然是最普遍的。令人惊讶的是，这种电容器中的电场从未在纳米尺度上被测量或绘制出来。在本文中，Gatel等人通过Operando电子全息实验结果，用前所未有的灵敏度展示了工作中 MOS 纳米电容器的电势，并揭示了电极附近介质材料的意外充电。
(赵鑫磊)
Extended Charge Layers in Metal-Oxide-Semiconductor Nanocapacitors Revealed by Operando Electron Holography
C. Gatel et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 137701 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.137701
10
软物质与交叉科学
责编：巫浩
10-01
活性诱导的液滴刚性
在本快报中，Xie等人表明，将活性Janus粒子封装在水滴中会使其更耐变形。这个水滴在延伸流的作用下发生形变。这种形变主要受到液滴界面张力的抵制。当粒子在激光照射的作用下变得活跃时，形变的减少标志着有效张力或拉普拉斯压力的增加。这种增加归因于粒子的活性。利用许多不同的液滴大小、颗粒数量密度和活性速度，作者的结果表明，所获得的增长在宽广的范围内很好地符合多年前提出但尚未在三维空间测试的活性粒子系综所产生的压力的标准表达式。
Activity Induced Rigidity of Liquid Droplets
Kaili Xie, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 138001 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.138001
10-02
活性胶体的反常冷却和过冷现象
一个系统在热的温度下比在暖的温度下冷却得更快，这种现象被称为姆潘巴效应，最近在被囚禁的胶体上得到了实现。在本快报中，Schwarzendahl和Löwen用数值模拟和理论计算研究了自推进的活性胶体的冷却和加热过程，其模型可以在实验中直接测试。在冷却时，活性诱发了姆潘巴效应，活性粒子瞬时偏离了有效温度描述。当冷却过程结束时，温度的概念被恢复，系统可以表现出比其最终温度更低的温度，这种令人惊讶的现象，作者称之为活性诱导的过冷现象。
Anomalous Cooling and Overcooling of Active Colloids
Fabian Jan Schwarzendahl and Hartmut Löwen
Phys. Rev. Lett. 129, 138002 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.138002
10-03
改变流动平衡了沿肠道的营养吸收和细菌生长
[编辑推荐] 优化流速对肠道至关重要：流体动力学模拟表明，小肠内不同的流速可以最大程度地吸收营养物质，同时最大程度地减少多余的细菌。
小肠运动及其随之而来的管腔内含物的流动既影响营养吸收，也影响细菌生长。为了探索这种相互依存关系，Codutti等人引入了对肠道流动和吸收的生物物理描述。根据对小鼠的观察，作者发现平均流速是控制吸收效率和细菌生长的关键，与确切的收缩模式无关。作者发现收缩和流动的自我调节响应于营养物质和细菌层次以促进高效吸收，同时抑制有害的细菌过度生长。
Changing Flows Balance Nutrient Absorption and Bacterial Growth along the Gut
Agnese Codutti, et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 138101 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.138101
END
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