PRL导读-2018年121卷11期

2018 年 9 月 24 日 中科院物理所

序

言

我们本着服务于中国物理学者和物理专业研究生的宗旨，根据PRL摘要和引言对本期所有文章进行中文导读。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

导读：王子；责编：任捷

量子Dirac振子中的相对论测量反作用

基于无量子力学子系统（QMFS）的分析是一种避免量子测量反作用的简洁优雅的处理方式，其中一种方法用到两个具有相反符号有效质量的谐振子。由于相对论系统的本征量是负的能量，也就是负的质量，在这种背景下QMFS可以被多大程度地实现就成了一个本质的问题。本文作者以一维Dirac振子为例，研究了QMFS可以被实现的条件，并且发现Dirac颤动（Zitterbewegung）或虚粒子对产生归为是根本上限制QMFS体系可行性的物理机理。作者提出了一个基于自旋轨道耦合超冷原子样品，在这个平台中实现Dirac振子系统的设计方案。该系统允许直接观测虚粒子对产生在量子测量反作用中的类比现象。

Relativistic Measurement Backaction in the Quantum Dirac Oscillator

Keye Zhang, Lu Zhou, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 110401 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.110401

量子Sine-Gordon模型

平衡和非平衡态下的关联函数

关于量子场论（QFT）平衡态行为和动力学的完全信息可由多点关联函数给出。然而即便对于精确可解模型来说，对关联函数的理论计算是一个具有挑战性的问题。因冷原子实验模拟QFT模型并直接测量高阶关联的进展，计算多点关联函数成了一个和实验相关的问题。本文作者将量子Sine-Gordon模型作为在理论和实验中都十分重要的可积模型的范例，计算了它的关联函数。基于截断共形空间方法，作者数值构造了有限大小系统在各种实验相关物理态中（包括平衡态和非平衡态）的高阶关联。作者测量了相互作用导致的偏离高斯性的大小，并分析了它对温度的依赖关系，从而解释了实验上观察到的在高斯区域和非高斯区域之间的过渡。作者发现，激发态关联和热态下关联显著不同，而这可以被系统可积性解释。作者同时研究量子猝灭后的动力学，发现了相互作用对关联函数的含时演化，空间相关性以及由峰度刻画的非高斯性的影响

Correlation Functions of the Quantum Sine-Gordon Model in and out of Equilibrium

I. Kukuljan, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 110402 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.110402

酉操作实施中的不确定关系

本文研究了使用外界仪器在系统上实施酉操作的内在机制。作者将时间上的酉演化作为系统和仪器相互作用导致的物理现象，在系统中实施了酉演化。作者考察了对精确实施目标内时间酉演化的基本限制。该限制以演化实施精度和外界仪器内能量量子涨落之间妥协关系的形式给出。作者给出的关系明确说明：为获得精确的酉操作，仪器内能量量子涨落应当相应较大。

Uncertainty Relations in Implementation of Unitary Operations

Hiroyasu Tajima, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 110403 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.110403

超导回路中任意非绝热完整

单量子比特量子门的单循环实现

几何相位可以抗噪音，因而它提供了一条通往高保真度量子操控的高鲁棒性的道路。本文中作者在实验上对于超导transmon量子比特和微波谐振腔以单循环的方式，给出了任意非绝热完整单量子比特量子门。两种情况都使用了一个辅助态，另外，两个被控制但不断变化的幅度和相位的共振微波驱动被同时施加，以实现量子门的任意性。在transmon量子比特上实现的量子门的保真度达到了0.996，这可由随机化的基准表征；而微波腔实现的量子门基于完整量子过程层析，给出了平均为0.978的保真度。原则上讲，量子比特和腔体构成的非平庸两量子比特完整量子门可基于文中给出的实验方案得以实现。因而，本文的实验铺平了通向使用超导回路中量子比特和腔体，实际进行非绝热完整量子操控的道路。

Single-Loop Realization of Arbitrary Nonadiabatic Holonomic Single-Qubit Quantum Gates in a Superconducting Circuit

Y. Xu, W. Cai, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 110501 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.110501

小电场范围受量子限制的原子接收器

作者使用基于热Rydberg原子的量子传感器去接收在极小电场范围内电磁波中的编码数据。其中，传感体积小于以电场波长为边长的立方体体积的10⁷分之一。作者介绍了数据容量的标准量子极限，并在实验上观测了接收到的处在10kHz和30MHz之间的量子极限数据。在此过程中，作者给出了有用的代替传统通信天线的方法，这是由于当天线尺寸明显小于电磁场波长时，传统天线不再有效。

Quantum-Limited Atomic Receiver in the Electrically Small Regime

Kevin C. Cox, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 110502 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.110502

量子点发出的光子超纠缠

光的超纠缠态对于减少实验要求及资源管理花费提供了有价值的工具，它可被用来提高量子信息协议的成功率。文中，作者展示并报道了单量子点发射的偏振和time-bin超纠缠的光子对。作者共振相干地激发具有边界精细结构劈裂的量子点系统上，以实现上述目的。该结果对于偏振和time-bin纠缠，分别达到了最大为0.81(6)和0.87(4)的保真度。

Hyperentanglement of Photons Emitted by a Quantum Dot

Maximilian Prilmüller, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 110503 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.110503

通用量子计算机上的电子-声子系统

作者给出一个新的量子算法，它将现有用来模拟量子化学和凝聚态物理中费米子系统的量子算法延伸出去，以处理一般包含玻色子（特别是声子）的问题。作者引入了对声子低能子空间的qubit表示，这使得对电子-声子系统演化算符可以进行有效模拟。由于Nyquist-Shannon采样定理，声子被以指数性精度表示在离散Hilbert空间中，其中空间大小随最大声子数截断线性地增长。就增长方式来看，因声子存在而需要附加的qubit数随着系统尺度线性增长；附加回路深度在有限范围电子-声子和声子-声子相互作用的条件下保持恒定，而在光子-声子长程相互作用时线性增长。作者所提出的算法对于Holstein极化子问题已在Atos量子学习机器的量子模拟器上，使用量子相位测量方法得到了实现。在电子-声子耦合微弱，中等和较强的范围内，上述方法得到的极化子态的能量和声子数分布都与精确对角化结果相符。

Electron-Phonon Systems on a Universal Quantum Computer

Alexandru Macridin, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 110504 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.110504

多载波光力传感器的基本量子极限

包含多光载波的光力传感器引起力学途径为中介的相互作用，从而将光场中多个模式耦合起来。其中一个例子是激光干涉引力波探测器，它引入多个载波频率是为了经典传感和控制。一个突出的问题是：多载波光力探测器是否在量子限制的灵敏度方面超出与其对应的单载波探测器而工作。作者证明，单载波传感器才能实现最高的精度。对于现有的LIGO探测系统，该精度已经达到。

Fundamental Quantum Limits of Multicarrier Optomechanical Sensors

Dominic Branford, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 110505 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.110505

光电力阵列中的空间绝热频率转换

在微波和光频段之间正确转换量子信号对于构建基于超导回路的量子网络来说至关重要。光电力系统是一个可能通往上述转换目标的途径。该系统中，微波和光学腔模式都耦合到了公共的力学振子上，利用场的力学暗态就可能实现有效且低噪音的转换，但转换带宽被部分腔体的线宽所限。文中，作者证明阵列光电力变频器可以克服带宽限制，并且得到大于腔体线宽的带宽。在该阵列中，耦合常数随空间位置而改变，因而传播场的力学暗态可以从微波到光或从光到微波绝热地变化。该方案同时极大减小了热噪音，其中集体光力的合作发挥着重要作用。最后，作者证明小阵列竟对带宽的增大最强。该特征使得作者所提出的方案对最尖端的实验设计来说有极大吸引力。

Spatially Adiabatic Frequency Conversion in Optoelectromechanical Arrays

Ondřej Černotík, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 110506 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.110506

引力与天体物理

责编：高思杰

21厘米吸收谱的反常

可由暗物质轴子的冷却效应自然解释

EDGES 合作组最近报道了一个在宇宙第一批恒星形成之际产生的非常强的21cm波段的吸收谱线反常，而这很可能是暗物质在此时产生的效应。本文作者发现，少量的轴子或者类轴子暗物质在凝聚相的冷却效应可以解释这个观测到的“反常”。EDGES合作组的结果结合本文的模型分析，得出最佳拟合的类轴子质量区间是10到450meV，而对QCD轴子则更严格，不考虑精细调节的情况下，为100到450meV。未来的实验和大尺度观测，特别是国际轴子观测台(IAXO)和EUCLID将能够直接测量这个质量范围的轴子或者类轴子。(由原文作者提供)

Natural Explanation for 21 cm Absorption Signals via Axion-Induced Cooling

N. Houston, Chuang Li, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 111301 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.111301

XENON1T年曝光量的暗物质搜索结果

本文报道了XENON1T对弱作用大质量粒子（WIMPs）的搜索结果，该结果基于其收集到的278.8天的数据。 XENON1T实验采用液态氙时间投影室，基准质量为(1.30±0.01)吨，结果为1.0吨年的曝光量。该实验在感兴趣的能量区间 [1.4, 10.6] keVee ([4.9, 40.9] keVnr)具有超低电子反冲背景率 [82⁺⁵_-3(syst)±3(stat)] 事例/(ton yr keVee)。背景之外没有发现明显的超出，当WIMP质量高于6GeV时，参数化概然分析排除了WIMP-核子自旋无关的弹性散射截面的新的参数空间，并且在30GeV处具有最小的弹性散射截面4.1×10^-47cm²，置信度为90%。（郭敏勇）

Dark Matter Search Results from a One Ton-Year Exposure of XENON1T

XENON Collaboration

Phys. Rev. Lett. 121, 111302 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.111302

DarkSide-50实验

对亚GeV暗物质-电子散射的约束

基于DarkSide-50双相氩时间投影室采集到的6780.0 千克天的数据，本文报道了亚-GeV暗物质-电子散射截面的最新限制。该分析使用的电致发光信号是由液态氩靶中提取的电离电子导致的。探测器对这些信号具有非常高的触发概率，允许三个提取电子的分析阈值，约0.05 keVee。文章计算了氩气中暗物质-电子散射的预期反冲谱，并且在动量无关散射的假设下，提高了XENON10对质量在30到100 MeV之间的暗物质粒子的现有约束。（郭敏勇）

Constraints on Sub-GeV Dark-Matter–Electron Scattering from the DarkSide-50 Experiment

The DarkSide Collaboration

Phys. Rev. Lett. 121, 111303 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.1113013

基本粒子与场论

责编：晁伟、刘晓辉

用机器学习限制有效场论

[编辑推荐语]一种机器学习的方法可以用来加速高能对撞中新物理搜索的分析。

作者展示了限制LHC有效场论的新的强有力的分析技术。通过使用粒子物理过程的结构，作者从蒙特卡洛模拟中抽取了新的信息，这些信息可以用来训练估计似然率的神经网络。这些方法可以适用于多观测量以及多物理参数，无需部分子簇射近似或者探测器相应并且能在微秒时间内进行演算。作者证明了这些方法能让我们对6维算符做出比现存方法强得多的限制，由此证明了这些方法能提高LHC限制的精度的潜力。

Constraining Effective Field Theories with Machine Learning

Johann Brehmer, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 111801 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.111801

用格点QCD计算光锥部分子分布函数

作者使用规范场状态系综并使用轻夸克的物理质量，从格点QCD抽取了部分子分布函数（PDF）。该计算有赖于理论和算法的改进，包括动量弥散以允许在减少统计误差的情况下获得大的核子加速，非微扰重整化，靶质量修正以及一种新颖的将格点QCD结果与实验测量抽取的PDF相匹配的方法。作者给出了2GeV处最小检出框架下的非极化以及螺旋的PDF，并且证实了实验抽取的PDF的主要的特征，获得的PDF在一段Bjorken-x区间里与实验测量相重叠。该首次对非局域算符进行非微扰的计算，开辟了在格点上计算QCD可信的途径，并为研究同类物理量提供了框架。

Light-Cone Parton Distribution Functions from Lattice QCD

Constantia Alexandrou, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 112001 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.112001

μ子反常磁矩中π介子-奇点

对强子轻-轻散射的贡献

π⁰介子奇点构成了强子轻-轻（HLBL）张量的最底奇点，因此，它给出了μ子反常磁矩(g-2)_μ中用色散关系来研究HLBL的主要贡献。它可以用双虚π介子跃迁形状因子来定义，原则上可以通过实验来抽取。作者证实，在缺乏直接测量的时候，类空双虚形状因子可以通过现存的e⁺e⁻→3π, e⁺e⁻→e⁺e⁻π⁰和π⁰→γγ衰变宽度的实验数据来重构。作者推导了包含所有最底奇点的形状因子的表示。该表示正确地与微扰QCD预期的渐进行为相匹配，并能适应(g−2)_μ计算的圈积分。获得的结果a_μ^π0-pole=62.6₋_2.5^+3.0×10⁻¹¹是首次完全通过实验数据来决定的π介子奇点的贡献。特别地，作者展示了单独用已经提高的单虚测量能够进一步减小a_μ^π0-pole的不确定度。

Pion-Pole Contribution to Hadronic Light-By-Light Scattering in the Anomalous Magnetic Moment of the Muon

Martin Hoferichter, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 112002 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.112002

原子核物理

责编：耿立升

恒星能量下^36,38Ar(n,g)^37,39Ar反应

及其对轻的丰中子原子核合成的影响

为了测量恒星能量下的麦克斯韦平均截面(MACS), Tessler等人首次研究了具有准麦克斯韦(KT~47keV)中子通量的³⁶Ar(n,g)³⁷Ar (t_1/2=35天)和³⁸Ar(n,g)³⁹Ar (t_1/2=269年)反应。他们在高强度的索莱克应用研究加速器装置-液体-锂靶中子源上辐照气体样本, 活性样本中的³⁷Ar/³⁶Ar和³⁹Ar/³⁸Ar的比值通过ATLAS装置(阿贡国家实验室)上的加速器质谱法确定. 他们也在伯尔尼大学的低强度计数(装置上)测量了³⁷Ar的活度。校正至标准的30keV热能量的³⁶Ar和³⁷Ar麦克斯韦平均截面分别为1.9(3)和1.3(2)毫巴,他们测得的截面与到目前为止所发表的理论计算的截面差了1个量级。^36,38Ar的中子俘获截面和轻的丰中子原子核的恒星核合成相关; 这两个实验值会影响弱过程中A=36-48区域内计算得到的原子核质量分数。新的产生截面对使用³⁷Ar和³⁹Ar作为大气和水圈中的环境示踪剂也有影响。(王亚坤)

Stellar ^36,38Ar(n,g)^37,39A Reactions and Their Effect on Light Neutron-Rich Nuclide Synthesis

M. Tessler et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 112701 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.112701

原子、分子与光学

导读：宋新秀；责编：张文凯

可精确描述强电子关联的全耦合聚类约化

通过将二进制表象中的聚类算子展开为Baker-Campbell-Hausdorff序列的对易子，作者发展了用于稀疏代数运算的全耦合聚类展开方法。然后，对投影流形和对易操作进行筛选，开始做全耦合聚类约化，这种约化能够给出多体薛定谔方程的高精度解。投影流形是通过对连通性具有实质性贡献的主要群组T_λ组成的单个对易子⟨κ|[H,T]|0⟩来进行迭代来更新的。通过引入修正，并考虑到所谓的排除原则违背项（在许多情况下能提供快速和近似变化收敛的），通过引入校正可以进一步减少对易子的操作。

Full Coupled-Cluster Reduction for Accurate Description of Strong Electron Correlation

Enhua Xu, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 113001 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.113001

第一性原理的腔关联电子-核动力学

极化声子化学和量子光学的快速发展和融合的领域需要统一的方法来在原子级分辨上预测强关联光和物质之间的相互作用。为了实现这一首要目标，作者引入了一种通用的含时密度泛函理论来研究相同量子化基础上的关联电子、核和光子之间的相互作用。然后，作者又使用关联电子-核-光子系统的第一性从头算来完善文章的理论公式。对于光学腔中的二氧化碳分子，作者们构建了红外光谱，展示出上下极化声子分支之间的Rabi分裂，时间依赖的量子电动力学可观测量，如电位移场，并观察了空腔调制的分子运动。本文的工作为将从头算方法引入集体强振动光和物质的相互作用这一新生领域开辟了一条重要的新途径。

Cavity-Correlated Electron-Nuclear Dynamics from First Principles

J. Flick and P. Narang

Phys. Rev. Lett. 121, 113002 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.113002

太赫兹辅助激光场中相干动力学

和密度矩阵重建的超快映射

本文提出了一种利用太赫兹辅助光电离的时间分辨光谱方案来重建瞬态密度矩阵。在光电离光谱中，布居和相干元素被有效地映射到光谱分离的谱峰上。可以在时间分辨率为脉冲持续时间的的情况下测量相干动力学的拍频，并且可以从振荡光谱分布直接读取所涉及状态之间的相对相位。正如光激发多能级开放量子系统所证明的，该方法显示了利用自由电子激光器和桌面型激光器对相干动力学进行亚飞秒时间分辨测量的潜在应用。

Ultrafast Mapping of Coherent Dynamics and Density Matrix Reconstruction ina Terahertz-Assisted Laser Field

Yizhu Zhang, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 113201 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.113201

用导向中心捕捉光电子运动

强激光和库仑联合场中的电子运动是激光和物质之间相互作用的核心。通过将这个问题映射到一个导向中心的运动上，本文得到了一个简化的模型，它自然地嵌入了重要的库仑效应，如聚焦和不对称，并清楚地区分了直接电子电离过程和再散射电子电离过程。本文通过揭示实验中看到的光电子动量分布的分叉来证明了这种工具的强大功能。

Capturing Photoelectron Motion with Guiding Centers

J. Dubois, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 113202 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.113202

对产生和观察

幽灵三叶虫型化学键的理论预言

[编辑推荐语]施加到原子上的一系列电脉冲和磁脉冲可能导致该原子的一个电子表现得好像“粘合”到空间中的空点上。

2000年预测并在2015年实验观察到的“三叶虫”型分子出现在当里德堡电子对中性基态原子施加弱吸引力时。这种分子的键长超过100nm。两个原子之间的超长程化学键是与高主量子数相关的许多简并电子态的非微扰线性组合，从中产生的电子概率分布非常类似于古代的化石三叶虫。本文展示了如何在基态原子不存在的情况下，通过一系列电场和磁场脉冲来设计这同一长程轨道，并提出了几种方法来观察所产生的轨道。电子从一个原子到达不存在的第二原子，这种幽灵化学键存在是高能级简并的结果。

Theoretical Prediction of the Creation and Observation of a Ghost Trilobite Chemical Bond

Matthew T. Eiles, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 113203 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.113203

自旋-轨道-角动量耦合的

玻色-爱因斯坦凝聚态

本文展示了玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）中原子质心运动的原子自旋和轨道角动量（OAM）之间的耦合。这种耦合是由拉曼修饰激光的Laguerre-Gaussian光束诱导产生的，并在F =1的⁸⁷Rb旋转器BEC中产生无芯旋涡。作者观察到了缀饰态下自旋和OAM之间的相关性，并表征了自旋结构;其结果与理论分析吻合的很好。在拉曼场存在的情况下，该实验的缀饰态可稳定0.1秒或更长时间，然后会由于碰撞引起的弛豫而衰减。当关闭拉曼光束时，裸自旋|m_F=1⟩和|-1⟩中的涡旋核心会分裂。这些采用拉曼缀饰方法的自旋OAM耦合系统具有探索新的拓扑结构和量子态的巨大潜力。

Spin–Orbital-Angular-Momentum Coupled Bose-Einstein Condensates

H.-R. Chen, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 113204 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.113204

冷控制下HD−H₂碰撞的立体动力学

[编辑推荐语]HD−H₂碰撞的第一性原理模拟显示了单个散射共振可控制1K附近的双分子碰撞的立体化学。

利用部分波分辨测量非弹性速率要求接近1开尔文或更低的温度，即使对于最轻的分子也是如此。在最近的一次科学实验报道中，Perreault，Mukherjee和Zare [Nat. Chem. 10, 561 (2018)]研究了在约1K的温度下，对位和邻位H₂碰撞激发的HD分子在ν = 1，j = 2态下的碰撞弛豫，得到了ν = 1，j = 0态下散射HD分子的角分布。通过对HD分子的状态制备，证明了对散射HD的角分布的控制。在这里，本文通过对该实验进行第一性原理模拟，将观测到的角分布的主要特征归结为单个L = 2的部分波形共振。本文研究结果表明，当数值精确的量子散射计算与少部分波态下的实验相结合时，就可以洞悉重要的立体动力学。

Unraveling the Stereodynamics of Cold Controlled HD−H₂ Collisions

James F. E. Croft, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 113401 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.113401

半局域密度泛函近似能否

得到小单体分离中的色散能量？

在密度泛函理论（DFT）计算中把色散能加到相互作用能的方法称为DFT + D方法。在该方法中得到的色散能量在接近范德华最小值附近时会逐渐减小。得到这一结果的前提假设是DFT在范德华最小值附近能够准确地计算色散能量。本文证明了这种假设是不正确的，因为所谓的贡献是非物理的，并且在很大程度上源于非交换关联项。因此，在该区域中色散函数校正的DFT，消除的是与色散相互作用无关的缺陷。

Do Semilocal Density-Functional Approximations Recover Dispersion Energiesat Small Intermonomer Separations?

M. Shahbaz and K. Szalewicz

Phys. Rev. Lett. 121, 113402 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.113402

等离子体界面上电偶和磁偶极源的

二维Drexhage实验

50年前，Drexhage等人展示了如何通过附近的镜子来修改电偶极子的光子发射。在这里，本文研究了表面等离激元（SPPs）的二维类似物。作者在平面银膜上等离子体反射器附近镀上了掺杂Eu^{3 +}的纳米粒子，它们既是SPP的电偶极子源，也是磁偶极源。本文还测量了改进的SPP辐射模式及其发射率对反射器距离和源对称性依赖关系。其结果与解析自干扰模型一致，为控制等离子体装置中SPP辐射提供了简单的策略。

Two-Dimensional Drexhage Experiment for Electric- and Magnetic-Dipole Sources on Plasmonic Interfaces

Raphael Brechbühler, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 113601 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.113601

等离子体与束物理

责编：陈少永

电子鬼成像

[编辑推荐语]鬼成像，一种以往采用可见光和x射线的灵敏成像技术，现在发展到了电子成像领域。

本文展示了一种电子鬼成像技术。实验利用一个数字微镜装置对光阴极的驱动激光进行直接调制，从而控制入射到样品上的相对论电子束的横向分布。将结构化的光照图样与穿过样品的总透射光进行关联之后即可重新获得目标图像，这种方法避免了像素探测器的使用。实验采用了压缩式的传感结构，提高了图像重建之后的品质。相比于光栅扫描方法，脉冲的发射次数得到了降低。压缩式的电子鬼成像系统能够降低采集时间和样品损伤，可以应用于空间分辨探测器不可用的实验（例如光谱学研究）或者无法进行全帧直接成像的实验之中。（杨生鹏）

Electron Ghost Imaging

S. Li, et al

Phys. Rev. Lett. 121, 114801 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.114801

凝聚态物理：结构

责编：殷志平

堵塞堆积结构中的两个发散长度尺度

在密度高于绝热、无阻力排斥范围的干扰转变时，作者发现了两个不同的长度尺度，当接近过渡时，这两个长度尺度作为幂律发散。第一个长度尺度ξ_z与两个粒子上的接触数量的两点关联函数相关联，其中的接触数量是两个粒子的距离的函数。第二个长度尺度ξ_f与不同大小的子系统中的接触数波动相关联。在ξ_f以下的尺度上，波动被高度抑制，类似于通常与密度波动相关的超均匀现象。ξ_z和ξ_f的发散指数是不同的，并且在二维和三维中看起来是不同的。（麻晓波）

Two Diverging Length Scales in the Structure of Jammed Packings

Daniel Hexner, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 115501 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.115501

扭矩诱导的Cu(110)面上

单个NO分子构型的变化

作者证明了在Cu(110)面上的一氧化氮(NO)分子可以充当“开-关-开切换开关”，该开关可分别通过排斥力和电子注入来开启和关闭。在表面上，NO分子存在三种构型：平躺的沿着[001]方向（开），直立的（关）以及平躺的沿着[00]方向（开）。这种将NO分子功能化的装置可以将直立的NO分子吸附物转变成平躺的NO分子。该功能化的装置可以通过扫描隧道显微镜和非弹性电子隧道光谱来表征。原子力显微镜技术和NO分子之间相互作用的模拟计算表明，不沿着N-O键方向的排斥力提供了使NO开关失效的扭矩。例如，本来直立的NO吸附物会变得倾斜。因此，NO吸附物可以作为非易失性的传感器，用于检测局部施加的排斥扭矩。（毛慧灿）

Torque-Induced Change in Configuration of a Single NO Molecule on Cu(110)

Akitoshi Shiotari, et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 116101 (2018).

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.116101

过渡金属二硫化物单层与各向异性超颖面

界面中的自发激子谷相干性

对激子谷相干性的控制有希望使过渡金属二硫化物单层成为量子信息科学的候选者。到目前为止，产生谷间相干性需要外加的相干场。Jha等人从理论上证明了激子谷间相干性可以自发产生（即无需外场）。他们通过调整具有极化依赖超颖面的单层膜附近的真空场来实现这一目标，这个界面具有对激子的偶极子的各向异性衰减率。对二维材料相干性与干涉效应的研究可能为新型量子谷电子器件的发展提供途径。（刘瑞）

Spontaneous Exciton Valley Coherence in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers Interfaced with an Anisotropic Metasurface

Pankaj K. Jha, Nir Shitrit et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 116102 (2018).

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.116102

凝聚态物理：电子性质

责编：袁喆，马锋杰，沈卡

重离子电子阻止中的内层电子

当离子照射物质时，大部分能量会耗散到靶材料的电子自由度，这个过程中单位长度上的能量损耗称作电子阻止本领。Ullah等人基于第一性原理方法精确计算了高原子序数发射体keV/Å范围的电子阻止本领，并仔细评估了内层电子态的作用。具体来说，作者采用实时间的时间依赖密度泛函理论研究了自照射镍中能量向电子自由度的损耗。为了理解内层电子态在耗散机制中的作用，他们在计算中精确计入了不同内层电子态。作者发现当离子轰击速度增大时，其自身的内层电子可以打开额外的耗散通道。精确处理了2s²2p⁶这样的深层内电子后，计算就可以计入几乎所有的能量损耗。从计算结果来看，除了高速离子轰击的情况符合预期以外，作者在中等速度下发现了轰击离子内层电子的摇摆动力学响应。在1.0–12.0 a.u. (1.5–210 MeV) 速度范围内，理论计算很好地重复出了经验参考数据。（李松）

Core Electrons in the Electronic Stopping of Heavy Ions

Rafi Ullah et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 116401 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.116401

二阶拓扑绝缘体

和拓扑晶体绝缘体间的拓扑开关

Ezawa研究了二阶拓扑绝缘体和拓扑晶体绝缘体间的拓扑转变。二阶拓扑绝缘体和拓扑晶体绝缘体都受到镜像对称性和反演对称性保护，因此可以定义相同类型的块体拓扑数。当引入一个平行于样品其中一个螺旋边缘的面内磁场时，系统成为拓扑晶体绝缘体，其沿着边缘的电子输运通道的电导为e²/h。当磁场与样品的一条对角线垂直时，两个拓扑角态出现在样品的几何顶角上，系统变为二阶拓扑绝缘体。这个现象有可能用作拓扑电路转换开关，或者分辨率为10nm的局域磁矩测量传感器。（李松）

Topological Switch between Second-Order Topological Insulators and Topological Crystalline Insulators

Motohiko Ezawa

Phys. Rev. Lett. 121, 116801 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.116801

分数量子霍尔区域中

由朗道能级混合引起的结晶化

暴露在高横向磁场下的二维电子的强关联液体和晶体相之间的相互影响具有有趣的物理。Zhao等人通过非微扰定相位扩散蒙特卡洛方法确定了Wigner晶体在填充因子ν 和朗道能级混合强度 κ构成的平面内的相图，发现相界表现出明显的填充因子依赖性：远离魔填充因子ν=n/(2pn+1)的态比处于ν=n/(2pn+1)的态更容易受到朗道能级混合的影响而发生晶化。这解释了实验上发现的n型掺杂和p型掺杂的砷化镓量子阱行为的定性差别，特别是，解释了低密度p型掺杂系统中ν < 1/3 以及 1/3 < ν < 2/5时绝缘态的存在。作者预言，在ν=1/5和ν=2/9附近增加朗道能级混合强度，体系不会向正常电子的Wigner晶体转变，而是会往携带两个涡旋的复合费米子强关联晶体转变。（李松）

Crystallization in the Fractional Quantum Hall Regime Induced by Landau-Level Mixing

Jianyun Zhao, Yuhe Zhang, J. Jain

Phys. Rev. Lett. 121, 116802 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.116802

EuO/KTaO₃界面的高迁移率

自旋极化二维电子气

氧化物界面处的二维电子气体(2DEG)为层展现象提供了独特的平台，近年来引起越来越多的关注。虽然之前大部分的工作都集中于LaAlO₃/SrTiO₃界面的二维电子气，Zhang等在这里报导了一种在磁性绝缘体EuO和高k钙钛矿KTaO₃间形成的新型二维电子气。这种二维电子气不仅具有高导电性，在2K时具有111.6cm²/Vs的最大霍尔迁移率，而且还具有良好的自旋极化，显示出直至25K的强滞后磁阻和直至70K的明确的反常霍尔效应。此外，二维电子气的滞后行为与EuO层间被发现存在明确的对应关系，表明后者对前者的邻近效应。密度泛函理论计算的结果证实了这一点：通过层间交换，EuO驱动近邻TaO₂层成为铁磁态。这个工作为在氧化物界面上探索高性能自旋极化二维电子气开辟了新的途径。（方子明）

High-Mobility Spin-Polarized Two-Dimensional Electron Gases at EuO/KTaO₃Interfaces

Hongrui Zhang et al.

Phys. Rev. Lett. 21, 116803 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.116803

薄膜粒状铝超导微波谐振器的

损耗机理和准粒子动力学

超导高动能电感元件是量子电路设计和毫米波检测的重要组成部分。超导状态下的粒状铝（grAl）是一种特别有趣的材料，因为其可在一定情况下显示出动能电感性。本文中，作者在室温下制造出grAl微波谐振器，并表示该类材料显示出接近统一的动能电感分数。同时，内部质量因子测量结果显示，非平衡准粒子损耗机制的存在，使得粒状铝的内部质量因子达到10⁵量级。作者提取出准粒子的弛豫时间在1秒量级，且在每20秒左右就会观察到非平衡准粒子爆发。目前grAl谐振器的一致性水平使它们对量子器件的集成提供了新想法，同时也证明了降低非平衡准粒子密度的必要性。（刘钱）

Loss Mechanisms and Quasiparticle Dynamics in Superconducting Microwave Resonators Made of Thin-Film Granular Aluminum

L. Grünhaupt et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 117001 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.117001

揭示Ba_0.51K_0.49BiO₃的超导机制

【编辑推荐语】光电发射实验挑战长期以来认为的某些铋氧化物的高温超导电性属于非常规类型的观点。

尽管进行了30多年的广泛研究，铋酸盐的高超导转变温度(T_c)的机制仍然存在着争议。Wen等对Ba_0.51K_0.49BiO₃的角分辨光电子能谱研究表明，与常规密度泛函理论计算相比，带宽出乎意料地大34％。这可以通过考虑完整的长程库仑相互作用的计算来再现 - 这是由Fock交换项引起带宽扩展的第一次直接例证，是多体物理中长期接受但未经被证实的基本效应。此外，他们观察到各向同性的超导能隙2Δ₀/k_BT_c= 3.51±0.05，以及强的电声相互作用且耦合常数λ~1.3±0.2。这些发现解决了一个长期存在的问题：Ba_0.51K_0.49BiO₃是一种非常奇特的BCS超导体，其中长程库仑相互作用扩展了带宽，增强了电子-声子耦合，造成了高T_c。这种效应对于寻找新的超导体也是至关重要的。（方子明）

Unveiling the Superconducting Mechanism of Ba_0.51K_0.49BiO₃

C. H. P. Wen et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 117002 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.117002

金属-有机量子反铁磁体中

巨大的压力依赖性和维度开关

一般而言，通过施加压力可以实现对材料结构的直接控制，但是压力对低维材料中磁性的影响还不十分明确。本文中，作者揭示金属-有机系统[CuF₂(H₂O)₂]₂中磁性相互作用对压力有很强的依赖性。结果显示，在零压力下，这种材料实现了一个准二维且自旋为1/2的正方海森堡的反铁磁相。而通过高压、高场磁化率测量，作者证明了主要的交换参数在压缩过程中将连续减小了2倍。在18 kbar之上，该材料将发生了相变，诱导轨道重新排序，从而使准二维的晶格转变成弱耦合的链。结合自旋极化密度泛函理论，作者揭示该类现象主要来自于和水配体有关的超相互作用对压力的敏感性。该研究结果提出对磁性相互作用进行控制的新方法，为量子磁性材料的设计提供了新可能。（刘钱）

Giant Pressure Dependence and Dimensionality Switching in a Metal-Organic Quantum Antiferromagnet

B. Wehinger et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 117201 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.117201

二维反铁磁体中的反常量子临界标度修正

Ma等使用量子蒙特卡罗数据的有限尺寸标度研究了二维二聚化S=1/2海森堡反铁磁体中的Néel-顺磁性量子相变。他们解决了当二聚体模式缺乏某种对称性时，在键算符表示中出现的立方相互作用角色的长期问题。他们在交错（柱状）二聚化模型中发现非单调（单调）的尺寸依赖性，其中存在（不存在）立方相互作用。他们得出结论，交错模型中存在一个新的非相关场，但与先前的主张不同，它不是首要的非相关场。这个新的指数是ω₂≈1.25且

L^-ω2修正的前置因子很大, 与常规的具有ω₁≈0.78的修正符号不同。他们的研究强调了量子临界点处的竞争标度修正。（方子明）

Anomalous Quantum-Critical Scaling Corrections in Two-Dimensional Antiferromagnets

Nvsen Ma et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 117202 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.117202

BaCuF₄中直接的磁化-极化耦合

对材料中的铁电、磁性以及轨道序之间耦合关系的研究一直是凝聚态物理中的活跃领域。在这些耦合中，磁电耦合可用于降低计算机的内存能量消耗和改进磁场传感器，因而引起广泛关注。本文中，作者借助于密度泛函理论，利用第一性原理计算，研究了BaCuF₄中极化开关的理想磁化反转。结果显示，BaCuF₄中的磁化反转可以在接近室温的情况下完成。作者还证明了这种理想的耦合是由一个单一的软模式驱动，且该模式由极化和八面体的旋转共同决定。而后一种直接和BaCuF₄的弱铁磁性有关。这种材料所体现出的铁电和磁性使其有望应用于多功能器件开发。（刘钱）

Direct Magnetization-Polarization Coupling in BaCuF₄

A. C. Garcia-Castro et al.

Phys. Rev. Lett. 121, 117601 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.117601

软物质与生物物理

导读：巫浩；责编：涂展春

形变聚合物中各向异性弛豫的标度行为

类比准弹性中子散射的范式，Lam等人提出了一种一般性的方法，即通过小角度中子散射定量地研究形变聚合物中结构各向异性弛豫的时空依赖性。在宽广的分子量范围内，对于聚合物熔体的实验和非平衡分子动力学模拟表明，聚合物熔体在相对高的动量传递Q和相对短的时间内的构象弛豫可以用简单的标度律来描述，弛豫率与Q成比例。这种特殊的标度行为不能从经典的Rouse模型和管模型得出，该标度行为表明了纠缠对单链各向异性弛豫的微观机制仅有十分弱的直接影响。

Scaling Behavior of Anisotropy Relaxation in Deformed Polymers

Christopher N.Lam, et al

Phys. Rev. Lett.121, 117801 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.117801

非晶态固体的场论

低温下的玻璃会围绕其固有状态涨落；玻璃化异常反映了这些状态的结构。最近，人们对玻璃化材料（从过冷液体到胶体和颗粒材料）中的长程应力关联进行了大量观察，但没有一个统一的解释。在此，利用固有状态的场论，DeGiuli证明了长程应力关联仅来自力学平衡，并且明确预测了二维和三维应力关联。作者导出了与施加应力的涨落相关的“状态方程”以及在任意几何中固定应力的空间结构的场方程。最后，他确认了3D非晶态系统中的一个新的全息量。

Field Theory for Amorphous Solids

E. DeGiuli

Phys. Rev. Lett. 121, 118001 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.118001

拥有复杂序列的模板聚合物的动理学选择

拥有复杂序列的聚合物的出现和维持是生命起源研究中的主要问题。为了解决这个问题，Matsubara等人研究了模型聚合反应，其中聚合物通过作为模板的长聚合物来催化，由两种类型的单体逐步连接所合成。直接随机模拟和动力系统分析揭示了种群中最主要的聚合物序列随着单体加入到系统的流速连续变化，在较低流速下选择更复杂的序列。作者讨论了这种通过非平衡流动的动理学序列选择与复杂聚合物起源的相关性。

Kinetic Selection of Template Polymer with Complex Sequences

Yoshiya J. Matsubara, et al

Phys. Rev. Lett. 121, 118101 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.118101

分子马达控制菌落的

液体状有序和融合动力学

细菌可以调节菌落和生物薄膜的结构以提高它们在外应力下的存活率。在本文中，Welker等人探索了细菌间的相互作用和菌落结构之间的联系。他们揭示了细胞外菌毛马达的活性增强了局域有序并加速了菌落的融合动力学。成熟菌落的径向分布函数显示出局域流体序。有序的程度和动力学取决于马达活性。在更大的尺度上，两个菌落的融合动力学显示出液体状行为，由此表明马达活性对表面张力和粘度有很大的影响。

Molecular Motors Govern Liquid like Ordering and Fusion Dynamics of Bacterial Colonies

Anton Welker, etal

Phys. Rev. Lett. 121, 118102 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.118102

剪切流诱导的红细胞形状转变

最近一项关于剪切流中红细胞（RBCs）的研究[Lanotteet al., PNAS 113, 13289 (2016)]演示了当细胞质和血浆之间的粘度比足够大时，RBC首先翻滚，然后滚动，转变成滚动和翻滚的裂口红细胞，并最终获得具有较大剪切速率的多叶形状。使用两种不同的模拟技术，Mauer等人构建了剪切流中RBC形状和动力学作为剪切速率和粘度比的函数的状态图，这一结果得到了微流体实验的支持。此外，作者说明了RBC剪切弹性对其在流场中的动力学的重要性，并表明是两种不同类型的膜屈曲触发了后续RBC状态之间的转变。

Flow-InducedTransitions of Red Blood Cell Shapes under Shear

Johannes Mauer, etal

Phys. Rev. Lett. 121,118103 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.118103

来源：京师物理