PRL导读-2018年120卷19期

2018 年 5 月 22 日 中科院物理所

序

言

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

导读：王子；责编：任捷

延迟选择实验的因果模型

波粒二象性已经成为了量子力学的一个标志。这个反直觉的概念在延迟选择实验中被特别地凸显——实验装置表现出量子系统的粒子性还是波动性完全是系统进入仪器以后才决定的。在文中，作者从不依赖仪器的因果模型角度，考虑了延迟选择实验，并且说明了这些实验和准备-测量方案是等价的。在这样的框架下，作者考虑了Wheeler最初关于延迟选择实验的构想及其各种使用量子调控的变形版本。作者发现仅使用简单经典因果模型就可以重新得到量子力学的预言。然而，在一个Wheeler思想实验的变形版本中，一个处在干涉仪中的光子实际可以产生的统计结果和任何非逆因果律隐变量模型都不相容。作者的提案能够不被任何实验上的损失和低效所影响，因而它特别适合用来实现无漏洞的实验。

Causal Modeling the Delayed-Choice Experiment

Rafael Chaves, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 190401 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.190401

可积的含时量子哈密顿量

Sinitsyn等人给出了一组条件，如果具有含时哈密顿量的非定态薛定谔方程满足这些条件，它就是精确解析可解的。其中最重要的要求是在系统参数空间中存在有零曲率的非阿贝尔规范场。已知可解的多态Landau-Zener模型就满足这些条件。文中的方法提供了一种可以将含时性引入各种量子可积系统，同时保持它们可积性的技巧。作者同时论证了一些以前的猜测，其中包括受驱动的广义Tavis-Cumming模型的解。

Integrable Time-Dependent Quantum Hamiltonians

Nikolai A. Sinitsyn, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 190402 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.190402

费米子量子模拟的保真度监控参数

实验上对量子自旋1/2链的兴趣和发展在过去的十年中保持了不断的增长。在很多的例子中，目标量子模拟作为一个重要的基准，属于更广义的一类非相互作用费米子模型。虽然说这类模型可以被有效地解析求解，但除了理论上的结果，目前为止，可在实际中对模拟结果直接鉴定的工具还没有被报道过。事实上，实验上的鉴定几乎完全依赖量子态层析的概念，而这在系统尺寸增加时变得极为不可能。在文中，Gluza等人发展了一种对于所有纯费米子高斯目标态成立，并且在实验上友好易行的保真度监控方法。监控参数的期望值给出了保真度的一个紧致下界，而它可以方便地被测量。作者推出了对完全一般的马约拉纳费米子表征的监控参数，并把它们应用在和实验相关的自旋1/2链上。作者对处在强非平衡状态的临界Ising链的动力学，提出了有效证实的方法。这种监控方法在有限实验状态不保真度下具有很好的鲁棒性。

Fidelity Witnesses for Fermionic Quantum Simulations

M. Gluza, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 190501 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.190501

一维相互作用玻色气体任意状态的

精确局域关联和全计数统计

Bastianello等人对热力学极限下具有接触排斥相互作用的一维玻色气体（Lieb-Liniger模型）推导出了精确解析的n体局域关联表达式。文中的结果对于这个模型可处的任意状态都适用，其中包括基态，热态，量子淬火后的定态，以及输运中的非平衡稳态。文中明确给出了对这些状态的计算，并批判地讨论了它们的物理推论。作者接着通过明确的解析结果说明，n体局域关联是直接和短区间内粒子数涨落的全计数统计相联系的。

Exact Local Correlations and Full Counting Statistics for Arbitrary States of the One-Dimensional Interacting Bose Gas

Alvise Bastianello, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 190601 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.190601

稳恒态热机中关于功率、效率和

恒常性的普适权衡关系

在理想情况下，热机应该有三个好的特点：具有高功率输出，在卡诺效率附近工作，同时表现出恒常性（在平均输出的附近涨落很小）。对于受到两个热库之间恒定温度差的驱动并工作在稳恒态的热机，作者证明了以上三种要求中只有两个是相容的。在文中，除了传统考虑的关于功率和效率的权衡外，恒常性也被定量地考虑了。作者从而合理分析并统一了近期关于克服这种权衡的提议。文中给出的普适边界限制在两个例子中得到了说明：量子点太阳能电池的范例模型和逆外力传送功的布朗回旋器。

Universal Trade-Off between Power, Efficiency, and Constancy in Steady-State Heat Engines

Patrick Pietzonka and Udo Seifert

Phys. Rev. Lett. 120, 190602 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.190602

引力与天体物理

导读：郭敏勇；责编：高思杰

发现新的相对论贡献影响

水星近日点进动

在文章中，作者指出，在对水星近日点进动的影响中，存在有新的相对论性贡献。不过，这部分贡献比水星四极矩和角动量的贡献要小，但是比二阶后牛顿的贡献大100倍。这个贡献一部分来自于描述水星与太阳以及其他行星相互作用的后牛顿方程的相对论性“交叉项”，另一部分来源于水星与运动行星产生的引力场的相互作用。相对论效应中占主导性的贡献带来的岁差值为每世纪42.98角秒，新发现的相对论性贡献占其中的10⁶分之一，这一效应有可能会被哥布伦探测器观测到。该探测预计将在2018年左右发射，其天文任务是主要围绕水星放置两颗人造卫星并实现追踪目的。

New General Relativistic Contribution to Mercury’s Perihelion Advance

Clifford M. Will

Phys. Rev. Lett. 120, 191101 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.191101

利用随机引力波背景从高级LIGO首次

观测运行找到对原初黑洞丰度的约束

引力波事件得以用高级LIGO观测，在双黑洞的起源问题上，激起了更广泛的研究。假定引力波事件可以用双原初黑洞合并解释，SaiWang等人将高级LIGO给出的随机引力波背景上限作为新的观测窗口，对暗物质模型原初黑洞的丰度给出了独立的约束。此外，他们讨论了在不久的将来，利用高级LIGO从原初黑洞观测随机引力波背景的可能性，特别是低于太阳质量的原初黑洞。

Constraints on the Primordial Black Hole Abundance from the First Advanced LIGO Observation Run Using the Stochastic Gravitational-Wave Background

Sai Wang and Yi-Fan Wang et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 191102 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.191102

银河系球状星团的LISA源

在文章中，作者对银河系球状星团中紧致双星系统的形成做了探究，这种系统或许会被LISA探测到。他们利用一系列共137个完整演化的星团模型，全部有效地吻合了银河系中球状星团的观测性质。他们估计，在银河系球状星团中大约存在有21个源将会被LISA探测到。这些可被探测源包括，黑洞组合、中子星以及白矮星。他们估计大约有7个是双黑洞系统。此外，他们指出，这些双黑洞系统有足够大的信噪比，可以在仙女座或者室女座星系团的距离被观测到。

LISA Sources in Milky Way Globular Clusters

K. Kremer and S. Chatterjee, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 191103 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.191103

相对论性自由度的数目可视作

量子色动力学轴粒子的观测窗口

在文章中，作者发现，当量子色动力学(QCD)轴粒子以中的方式直接与夸克耦合时，如Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky模型，在早期宇宙，温度在1GeV到100GeV之间时，占主导地位的产生机制为和，其中g是胶子。通过这种方式产生的轴粒子，最大发生在T_i≈m_i,其中m_i代表不同的重夸克质量。这将导致产生残余轴粒子背景，并且会在该温度下解耦合，对相对论性自由度的有效数目产生贡献，可以比电弱相变解耦时更大。他们给出了一些预测，并认为，这个贡献可以与将来CMB S4 实验的灵敏度相比较，因此，打开了另一扇窗，可以检验轴粒子以及检验这种温度下的早期宇宙。

Observable Windows for the QCD Axion Through the Number of Relativistic Species

R. Z. Ferreira and A. Notari

Phys. Rev. Lett. 120, 191301 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.191301

基本粒子与场论

责编：晁伟、刘晓辉

中子衰变反常的暗物质解释

长期以来，在束流和瓶子实验中测量的中子寿命之间存在差异。Fornal 和Grinstein建议通过中子的暗衰变道来解释该反常，也就是说末态中包括一个或多个暗粒子。如果这些粒子中的任何一个是稳定的，那么它们可能是暗物质的候选者。作者构建了符合所有实验限制的具有代表性的粒子物理模型。

Dark Matter Interpretation of the Neutron Decay Anomaly

Bartosz Fornal and B. Grinstein

Phys. Rev. Lett. 120, 191801 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.191801

从电子-质子和质子-质子数据的

全局分析首次提取横向信息

Radici和Bacchetta首次提出共线因子化分解框架下的横向分布，它基于深度非弹性散射中以及质子与横向极化质子的对撞中π介子对产生的全局分析。该提取依赖于正负电子对湮灭数据分析中所获得的di-强子的破碎函数的知识。这是第一次通过类似于自旋平均和螺旋度分布中所做的全局分析来提取横截面。横向知识对于在高精度低能量实验中测量新物理的可能信号是十分重要的。

First Extraction of Transversity from a Global Analysis of Electron-Proton and Proton-Proton Data

Marco Radici and A. Bacchetta

Phys. Rev. Lett. 120, 192001 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.192001

原子核物理

责编：彭婧

粲介子的大定向流

探测重离子碰撞中物质的三维分布

在非中心相对论重离子碰撞中，产生的热化物质预期会在反应平面内倾斜于束流轴.这种前向-后向对称性破缺的最显著结果是观测到带电粒子的奇快度定向流.另一方面, 重夸克的产生位置是前向-后向对称的，并且会关于火球在横向平面内移动.非对称分布的热化物质对于重夸克的拉扯将产生相当大的重味介子定向流.在√S_NN=200 GeV的非中心Au-Au碰撞中, 作者预测了一个很大的D介子奇快度定向流, 其强度比带电粒子定向流大好几倍.重味介子大定向流可能的实验观测，将给出重离子碰撞中物质三维分布几乎直接的探测.（王亚坤）

Large Directed Flow of Open Charm Mesons Probes the Three-Dimensional Distribution of Matter in Heavy-Ion Collisions

Sandeep Chatterjee and Piotr Bozek

Phys. Rev. Lett. 120, 192301 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.192301

原子、分子与光学

导读：宋新秀；责编：张文凯

亚微开尔文温度下

玻色-爱因斯坦凝聚体中的离子杂质

[编辑推荐语]利用包覆数千个普通原子的巨大Rydberg原子来研究超低温下离子-原子相互作用。

Rydberg原子沉积在玻色-爱因斯坦凝聚体中，通过电子-原子和离子-原子相互作用而与量子气体相互作用。为了抑制典型的占主导地位的电子-中性原子的相互作用，本文从密集且紧密捕获的微米大小的凝聚物中激发出，具有高达n = 190的主量子数的Rydberg态。这就使得作者能够探索一个Rydberg轨道超过原子尺寸的体系。在这种情况下，Rydberg激发光谱的详细线形分析为温度远低于一个微开尔文情况下的离子-原子相互作用提供了清晰的证据。本文的研究结果可能会开辟出进入离子-原子散射量子态的新途径，以此来探索带电量子杂质和相关的极化子物理。

Ionic Impurity in a Bose-Einstein Condensate at Submicrokelvin Temperatures

K. S. Kleinbach, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 193401 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.193401

⁶Li中窄Feshbach共振附近的三体复合

本文实验测量并理论分析了543.3G处⁶Li-⁶Li的窄S波磁Feshbach共振附近的三原子复合率L₃。通过研究其对磁场的依赖性，尤其是对温度的依赖性（其温度范围从几μK到200μK以上），作者证明了，通过窄共振的三原子复合遵循由远程范德华势能确定的通用行为，并且可以通过一组速率方程来描述，其中三体复合是通过连续的成对相互作用而进行的。作者预计这一基础物理图像不仅适用于窄的s波共振，而且也适用于非零部分波的共振；不仅适用于超低温，而且也适用于比较高的温度。

Three-Body Recombination near a Narrow Feshbach Resonance in ⁶Li

Jiaming Li, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 193402 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.193402

超冷原子中一维超辐射晶格的实验观察

本文测量了超冷原子中一维（1D）超辐射晶格（SL）里的超辐射发射。除了会共振激发到超辐射态，原子还会进一步耦合到其他共同激发态，形成1D SL。本文还测量了1D SL中一个超辐射激发态的方向性发射。发射光谱取决于能带结构，并可由耦合激光场的频率和强度来控制。这项工作为研究玻色-爱因斯坦凝聚中共振激发的超辐射态的集体兰姆移位提供了一个平台，并为实现更高维的超辐射晶格铺平了道路。

Experimental Observation of One-Dimensional Superradiance Lattices in Ultracold Atoms

Liangchao Chen, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 193601 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.193601

无相互作用玻色型原子的

基于测量的量子纠缠

本文展示了在测量其空间结构的基础上，如何通过后选择提取两个中性原子的自旋纠缠态。通常，中性原子的纠缠态是通过原子-原子相互作用来设计的。与此相反，本文作者使用了Hong-Ou-Mandel干涉来在有效分束器上重叠两个不同自旋态的原子来后选择一个自旋-单重态。作者验证了纠缠的存在，并确定了自旋单重态的后选保真度的界限（0.62±0.03）。该实验可直接类比于用单光子产生偏振纠缠，因此证明了，使用为光子开发的规则来创建非相互作用原子的复杂量子态的可能性。

Measurement-Based Entanglement of Noninteracting Bosonic Atoms

Brian J. Lester, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 193602 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.193602

自由空间中纠缠原子发射的单光子干涉

孤立粒子之间量子纠缠的产生和人为操纵促使了量子信息处理的快速发展。众所周知，纠缠在原子集合的光学性质中起着至关重要的作用，但是，从自由空间中小的、明确定义数量的纠缠发射体的受控发射和吸收的基本效应仍未被观测到。在这里，本文展示了如何把一对远距离的纠缠原子中将单个光子的发射率转换为自由空间光学模式。改变连接原子间的光路的长度来调节所选模式下的单光子发射率，可见度V = 0.27±0.03，此由原子之间共享的纠缠度确定，直接对应于准备态的并发C_P= 0.31±0.10。该方法与布居数测量一起就可以在光学上完全确定纠缠度。此外，干涉相位演化的大灵敏度也表明了所提出的方法在高精度梯度传感中潜在的应用。

Interference of Single Photons Emitted by Entangled Atoms in Free Space

G. Araneda, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 193603 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.193603

非线性动力学和流体力学

责编：兰岳恒

非线性调焦显微术

Zhao等人展示非线性调焦显微术（NFOMM）可以实现超分辨率成像。利用点扫描的传统超分辨方法依赖在空间上减小发射模式的大小，比如通过直接减小（例如，通过最小化Airyscan，Zeiss中的检测针孔）或间接剥离其外轮廓[例如，通过耗尽受激发射耗损（STED）显微术中的外部发射区]。实验表明，专注于最大化光学系统频移能力的新型概念提供了优势，在进一步提高分辨率的同时降低系统的复杂性。在NFOMM中，空间光调制器和适当强度的激光照射被用于非线性焦场调制以实现约60nm（~λ/10）的横向空间分辨率。NFOMM与STED显微镜相当，适用于基础生物学研究，如在Vero细胞中核孔复合体，微管蛋白和波形蛋白成像所证明的。由于NFOMM很容易作为激光扫描显微镜的附加模块实施，预计这种新的成像技术具有广泛的应用性。(王诗旖)

Nonlinear Focal Modulation Microscopy

Guangyuan Zhao, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 193901 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLSett.120.193901

玻姆光子学独立控制波的相位和振幅

德布罗意-玻姆理论是量子现象的非标准解释之一，其重点在于重新引入粒子的确定位置，与哥本哈根解释的不确定性相反。尽管有关于其测量和非定域性的激烈争论，基于薛定谔方程再构的德布罗意 - 博姆理论允许将量子现象描述为改进的哈密顿-雅可比力学中包含的确定性轨迹。在这里，Yu等人将玻姆重构应用于麦克斯韦方程，以实现光学相位演化和能量约束的独立操作。在建立了基于玻姆路线的确定性设计方法之后，研究了光学材料具有有界或随机相位演化光的无散射条件。Yu等人还展示了一种保留入射光相位信息的独特形式的光学禁闭和湮没。本文讨论的对波信息的分别裁剪扩展了人造材料的概念和范围。(王诗旖)

Bohmian Photonics for Independent Control of the Phase and Amplitude of Waves

Sunkyu Yu, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 193902 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.193902

电磁场中拓扑节点的宽带控制

Song等人研究电磁波与结构相互作用的拓扑节点（相位奇点）。他们证明，当节点存在时，可以通过镜像和时间反转对称性的组合将某些节点绑定到结构中的特定平面。这种结合不依赖于结构中的任何共振。结果是，节点在很宽的波长范围内保持在平面上。作为这种宽带绑定的一个意义，作者证明拓扑节点可以在很大的波长范围内用于隐藏金属物体。(王诗旖)

Broadband Control of Topological Nodes in Electromagnetic Fields

lex Y. Song, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 193903 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.193903

用于光学涡旋模式的高分辨率和

高效分类的螺旋变换

模式排序是利用轨道角动量模式空间正交性的光学多路复用系统的基本功能。大家熟悉的对数极坐标光学变换提供了一种简单而有效的方法，但其分辨率受限于相邻模式之间相当大的重叠，这是由于沿光涡旋轴一个圆周上的相位偏移有限。Wen等人提出并实验验证了一种新的光学变换，将螺旋线（而不是同心圆）映射到平行线。由于光学涡旋波前沿螺旋的相位偏移在理论上是无限的，所以这种新的光学变换可以以高分辨率分离轨道角动量模式，同时保持单位效率。

Spiral Transformation for High-Resolution and Efficient Sorting of Optical Vortex Modes

Yuanhui Wen, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 193904 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.193904

中空椭圆柱链中色散稀疏激波的演示

Kim等人就3D打印的中空椭圆柱体软链中的色散稀疏激波（DRS）进行了实验和数值的演示。他们发现与传统的非线性波形相比，这些DRS的低振幅分量传播更快，而高振幅分量传播更慢。这导致波前（稀疏段）形成向后倾斜的形状，同时波尾破裂形成调制波形（色散激波段）。于是他们在各种冲击条件下检查DRS，发现了一种违反直觉的特征：较高的撞击速度将导致DRS的较慢传播。这种独特的功能可以有效地缓解和控制冲击，而不依赖于材料阻尼或塑性效应。(柴咪莎)

Demonstration of Dispersive Rarefaction Shocks in Hollow Elliptical Cylinder Chains

H. Kim, E. Kim, C. Chong, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 194101 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.194101

一种粘弹性线的珠状不稳定性

纤细的粘弹性线的珠状不稳定性受到了研究者的很多关注，但仍未完全被理解。Deblais等人研究了受单轴拉伸流影响的聚合物溶液中的不稳定性。并且观察到两种明显不同的不稳定模式：粘弹性线上的珠子和起泡。念珠结构起因于毛细管不稳定性，而起泡不稳定性是由于应力和聚合物浓度之间的耦合。通过改变温度从而改变溶液性质，他们阐明了流动和相分离之间的相互作用。(柴咪莎)

Pearling Instabilities of a Viscoelastic Thread

A. Deblais, K. P. Velikov, D. Bonn

Phys. Rev. Lett. 120, 194501 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.194501

等离子体与束物理

责编：陈少永

动力学效应在间接驱动

惯性约束聚变靶腔中的实验证据

Shan等人在神光-III原型激光设备上，首次对模拟中相互渗透层（激光驱动靶腔的等离子体气泡和压缩弹丸的电晕等离子体之间）中的动力学效应，给出了实验证据。固体塑料胶囊包覆有碳氘层；内爆中子产额淬灭之后，电晕等离子体的DD聚变产率为靶腔中的动力学效应提供了直接测量指标。流体动力学机制不能解释DD中子信号（约282keV）的异常大能量扩散，也不能解释中子产率与碳氘层厚度的异常定标。相反,这些结果可以归因于在靶腔-壁-烧蚀体相互渗透区域产生的动力学冲击,该冲击导致氘核的有效加速(约28.8J, 总输入激光能量的0.45%)。这些研究为真空腔和近真空腔的相互作用和动力学提供了新的见解。（秦晨晨，牟茂淋）

Experimental Evidence of Kinetic Effects in Indirect-Drive Inertial Confinement Fusion Hohlraums

L. Q. Shan el

Phys. Rev. Lett. 120, 195001 (2018)

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.120.195001

哨声波的静电陡峭化

Vasko等人通过美国宇航局范艾伦探测器发现了令人惊讶的观测结果，哨声波在其基波频率的谐波下具有相当大的电场功率。谐波处的波功率是由非线性陡峭的哨声静电场引起的，这在双温电子等离子体中是可能的，因为哨声波可以耦合到电子声模。模拟和分析估计显示，陡峭化需要几十毫秒的时间。流体动力学能量级联到更高的频率，促进了从回旋共振电子到更低能量电子的有效能量传递，同时这个过程也驱动了哨声波。（阳青程，牟茂淋）

Electrostatic Steepening of Whistler Waves

I. Y. Vasko, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 195101 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.195101

凝聚态物理：结构

责编：殷志平

分形子-弹性的双重性

[编辑推荐语]新发现的双重性表明，晶体缺陷表现出了一种称为分形子的奇异理论粒子的行为。

受近期关于分形子研究的启发，Pretko和Radzihovsky证明了二维量子晶体的弹性理论与分形子张量规范场论是双重对应的，并给出了普通固体中分形子现象的具体表现。弹性理论的拓扑缺陷对应于张量规范场论的电荷，其中的向错与位错分别对应于分形子与偶极子。晶体的横波和纵波声子对应于规范场论的两个无能隙规范模式。分形子的受限动力学与晶格缺陷移动性的约束相匹配。这种双重性预言了许多分形子系统的相与相变，例如弹性理论中的（相称）晶体、超固体、六面体与各向同性液相在规范场论中的对应物。扩展双重性到广义弹性理论将为发现新的分形子模型提供途径。进一步的结果表明，双重性意味着分形子相与相互作用拓扑晶体绝缘体的研究有关。（刘瑞）

Fracton-Elasticity Duality

M. Pretko and L. Radzihovsky

Phys. Rev. Lett. 120, 195301 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.195301

低温二维氢键网络中

水分子的快速旋转扩散

在微孔矿物质中的单个水分子或者小的水分子团簇展现出一个极端的受限情形，其中氢键网络的局域结构和水中的相比发生了显著地改变。在硅酸锌异极矿中的晶体框架下，水分子将和羟基形成一个二维氢键网络。作者结合实验与理论研究了这个网络中水分子的结构和动力学行为。水分子在他们的定向构型中经历了一个连续的相变，这可以类比二维Ising模型。不连续的动力学结构因子揭示了在温度区间为70-130K的两个热激发弛豫过程，一个在亚皮秒时间尺度，另一个在10-100ps的时间尺度。这个慢过程是水分子的面内重定向过程，涉及到氢键的断裂，尽管温度很低，这其实类似于水分子在液体中的旋转扩散。而快过程则是水分子的局域移动过程，和水以及水的受限相没有明显的类比性。(曹锦)

Fast Rotational Diffusion of Water Molecules in a 2D Hydrogen Bond Network at Cryogenic Temperatures

T. R. Prisk, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 196001 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.196001

揭示分子固体中

低频动力学和相变现象之间的联系

分子在凝聚相中的低频运动对于大量物理性质和过程是重要的。但是，在无序系统的情况下，通常很难阐明围绕这些现象的原子水平的细节。在这项工作中，Ruggiero等人对分子固体樟脑进行了广泛的实验和计算研究，其表现出丰富而复杂的结构动力学关系，并在环境条件下经历有序无序转变。x射线衍射、变温度和压力太赫兹时域光谱、从头算分子动力学和周期密度泛函理论计算的结合使得能够获得相变的完整图像，包括机械、结构和热力学现象。此外，无序固体的低频振动首次表征到原子水平精度，揭示了这种运动与相变之间的明确联系。总的来说，这种方法的结合允许获得无序固体和相关变换的重要细节，提供可直接应用于广泛的相似系统的框架。（麻晓波）

Uncovering the Connection Between Low-Frequency Dynamics and Phase Transformation Phenomena in Molecular Solids

Michael T. Ruggiero, et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 196002 (2018)

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.120.196002

凝聚态物理：电子性质

责编：袁喆，马锋杰，沈卡

空穴掺杂诱导烧绿石氧化物

Sn₂Nb₂O₇和Sn₂Ta₂O₇中平带铁磁性

虽然理论已经提出在具有几何挫折的晶格中，由于量子干涉效应，可能会出现无色散平坦带。但是由于符合该类模型的化合物还没被发现，导致实验上很难对其进行检测。本文中，Hase通过第一性原理计算Sn₂T₂O₇（T为Nb或Ta）的电子结构。作者指出，在Sn₂T₂O₇中，由于Sn中s轨道和O中p轨道的近邻跳跃作用，在其价带顶存在准平带。而通过掺杂，可以在Sn₂T₂O₆N中诱导相互竞争的自旋极化，且磁矩分别由Sn中的s电子和N中的p电子提供，为平带模型的实验实现提供了新可能。（刘钱）

Possibility of Flat-Band Ferromagnetism in Hole-Doped Pyrochlore Oxides Sn₂Nb₂O₇ and Sn₂Ta₂O₇

I. Hase et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 196401 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.196401

关联金属Pb/Si（111）单层膜中

具有手性自旋结构的电荷密度波

在α相Pd/Si体系中，由于电子关联效应，使得该材料中存在半填充的表面能带。但是在低温时，由于√3×√3和3×3表面重构的可逆性，情形将变得相对复杂，同时，3×3畴电子结构的实验观测结果也相对较少。本文中，作者利用扫描隧道光谱以及基于完全相对论的第一原理计算来研究Pd/Si(111)表面电子态。作者指出，高温下，体系将发生√3×√3重构，而在低温下则发生3×3重构。在两种情况下，自旋轨道耦合作用可以产生价带宽度25%的能量劈裂。特别是在低温下，由于准粒子的激发，使得费米面上的态密度被抑制，形成两格面内自旋极化的六角费米带且具有不同的手性。（刘钱）

Chiral Spin Texture in the Charge-Density-Wave Phase of the Correlated Metallic Pb/Si(111) Monolayer

C. Tresca et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 196402 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.196402

各向异性Dirac流体中的界外流体动力学

Link等人研究了在电中性区出现狄拉克点的二维相互作用电子系统中的流体动力学输运。沿着一个晶体学方向的色散是类狄拉克型的，而在正交方向则是类牛顿式的。因此，导电性在一个方向是金属性的，而在另一方向是绝缘性的。剪切粘度张量包含六个独立的成分，可以通过测量各向异性热流来探测。其中一个粘度组分在零温时消失，导出以前推测的剪切粘度与熵密度比的下限的一般形式。（方子明）

Out-of-Bounds Hydrodynamics in Anisotropic Dirac Fluids

Julia M. Link et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 196801 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.196801

La_1.92Sr_0.08CuO₄中由Sr掺杂引起的

纳米尺寸局部晶格应变的定量描述

Lin等通过测量多个布拉格峰周围的相关X射线漫散射研究了由高温超导铜酸盐La_2-xSr_xCuO₄（x = 0.08）中的掺杂引起的纳米尺度晶格形变。一种特征性的漫散射图案被观察到，并可以用连续弹性理论很好地描述。利用拟合的偶极子力参数，声学型晶格变形模式能够被重建并发现在7K时与晶格热振动具有相似的尺寸。他们的结果试图解决掺杂引入的局部晶格不均匀性的长期问题，显示相应的纳米尺度晶格变形并不重要，且不能独立地引起铜氧化物中扫描隧道显微镜观察到的谱能隙随填充变化的问题。（方子明）

Quantitative Characterization of the Nanoscale Local Lattice Strain Induced by Sr Dopants in La_1.92Sr_0.08CuO₄

J. Q. Linet al.

Phys. Rev. Lett. 120, 197001 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.197001

应变外延生长LaCoO₃中

来自冻结电子结构的铁磁和电荷序

Sterbinsky等人研究了铁磁应变外延生长的LaCoO₃中钴电子结构的有序化，从共振钴对超结构反射贡献的不同特征证实了电荷序的存在。密度泛函理论计算表明实验上发现的这种电荷序与之前在LaCoO₃中预言的导致铁磁性产生的自旋态周期性一致。作者发现通过应力调节对称性，可以稳定冻结的电荷和自旋态序，使系统出现长程磁序。(李松)

Ferromagnetism and Charge Order from a Frozen Electron Configuration in Strained Epitaxial LaCoO₃

G. E. Sterbinsky et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 197201 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.197201

Rashba反铁磁体中界面

Dzyaloshinskii-Moriya相互作用理论

在反铁磁薄膜中，空间反演对称性破缺或者与近邻重金属的耦合都会产生Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用。知道DM作用参数的具体值对理解和设计像新型存储技术领域备受关注的刺猬型斯格明子和手性奈耳壁这样的自旋结构至关重要。Qaiumzadeh等人介绍了一种在二维Rashba反铁磁体中计算DM相互作用的方法。与Rashba铁磁体不同的是，反铁磁中的DM相互作用即使在低温下也不会被抑制。材料的参数能够决定DM相互作用的强度和正负符号。Qaiumzadeh等人的工作提供了一条通过掺杂或者电场来操控反铁磁体中DM相互作用的可能途径。(李松)

Theory of the Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction in Rashba Antiferromagnets

Alireza Qaiumzadeh et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 197202 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.197202

纳米结构的立方手性磁铁中

斯格明子的相互作用

在三维体系中，由于斯格明子(skyrmions)的不均匀性，将形成三维斯格明子管。而在不同外磁场下，斯格明子展示出不同的聚合状态。为了揭示斯格明子间相互作用的本质，Du等人利用高分辨率洛伦兹透射电子显微镜技术研究不同外磁场下，B20体系中独立斯格明子间的相互作用。通过直接观测斯格明子间平衡距离随外磁场的演化关系，作者指出斯格明子之间存在Lennard-Jones–type的相互作用：当外磁场较低时，斯格明子间存在相互吸引；当外磁场大于临界磁场时，斯格明子相互作用会从相互吸引变成相互排斥。（刘钱）

Interaction of Individual Skyrmions in a Nanostructured Cubic Chiral Magnet

Haifeng Du et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 197203 (2018).

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.197203

在稀土掺杂固体中通过超精细相互作用

对核自旋选择性光学寻址

Car等人证明了利用⁸⁹Y³⁺核自旋和大朗德因子Er³⁺电子自旋之间的超精细耦合可以实现Er³⁺:Y₂SiO₅中⁸⁹Y³⁺核自旋的选择性光学寻址，并且在实验上利用光子回声技术探测了电子自旋与核自旋的混合，验证了他们的理论模型。Y³⁺核自旋位置选择性寻址可以通过调整磁场强度和取向实现。此工作是实现通信光子对长寿命固体量子比特寻址的重要一步。（李松）

Selective Optical Addressing of Nuclear Spins through Superhyperfine Interaction in Rare-Earth Doped Solids

B. Car et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 197401 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.197401

光机械超表面消耗了所有的时间？

人工结构的超表面利用特定构型的亚波长谐振器来有效地操纵电磁波。此外，光机械超表面具有令人期待的特性，即可以通过调整泵浦光束的功率来调整它们的实际构型，因为谐振器会移动以平衡泵引起的电磁力与由弹性丝或基底引起的力。虽然光机械超表面重构时间是决定它们的性能的关键，但是元胞从单一平衡状态到另一个平衡状态的瞬态动力学还没有理解清楚。在这里，Viaene等人利用非线性动力学工具，基于只有一个构型参数的阻尼谐振器模型，分析了一般光机械超表面的瞬态动力学。他们报导了光机械超表面的重构时间不仅仅受限于元胞的弹性性质，也受限于平衡态对泵浦功率的非线性依赖。例如，当可以通过滞后现象进行开关时，重构时间会增加超过一个数量级。为了说明这些结果，他们分析了由电磁转矩调节其光学活性的双层交叉线超表面的非线性动力学。此外，他们给出了一般光机械超表面构型时间的一个下界。这个下界表明，即使在光学频率下，光机械超表面也不可能比合理功率下最先进的开关的速度更快。（方子明）

Do Optomechanical Metasurfaces Run Out of Time?

Sophie Viaene et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 197402 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.197402

周期性驱动强相关电子的共振热化

在没有多体局域化的情况下，孤立的非平衡量子多体系统在长时间的观测后，预计将显示出局域热化效应。而通过与驱动器同步的振荡，瞬态的动态可能会使空间达到非平凡的长寿命非热态。本文中，作者利用非平衡动力学平均场理论研究费米-哈伯德模型在周期调制的驱动力下的动力学原理。作者指出，在适度的相互作用下，该系统将温度上升到无限的温度状态。如果继续扩大相互作用，将发生周期性的Schrieffer-Wolff 转变，从而实现Floquet预热化。而当频率达到临界值时，则可实现共振热化。（刘钱）

Resonant Thermalization of Periodically Driven Strongly Correlated Electrons

F. Peronaci et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 197601 (2018).

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.197601

钙钛矿及相关材料中

八面体旋转与铁电性的协同耦合

ABO₃型钙钛矿结构有两种主要不稳定模式，氧八面体旋转和铁电模式。一般认为，这两种模式互相竞争且对彼此有抑制作用。在本篇快讯中，Gu等人使用第一性原理方法发现了在大量的钙钛矿结构氧化物中铁电-八面体旋转耦合具有对偶属性，随着八面体旋转强度增强铁电-八面体旋转耦合从竞争关系变为协同耦合。作者通过引入新的高阶耦合项给出了对偶相互作用的统一模型并以普适空间机制在原子尺度解释了由对偶作用导致的新型铁电性的起源。他们也预言了这种新型的铁电性所导致的一些非典型行为，比如在静水压力和压缩外延应变下电极化三个笛卡尔分量都会增强。（李松）

Cooperative Couplings between Octahedral Rotations and Ferroelectricity in Perovskites and Related Materials

Teng Gu et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 197602 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.197602

共传播量子霍尔边缘通道中

非热态亚稳态的特征

[编辑推荐语]Tomonaga-Luttinger液体的可积性在共传播量子霍尔边缘通道系统中被实验验证。

Tomonaga-Luttinger（TL）液体被称为可积系统，其中非平衡多体状态可以在不弛豫到热化状态的情况下存留下来。这个有趣的特征可以在体填充因子ν= 2的共传播量子霍尔边缘通道中被实验验证。单向运输使得Itoh等人能够通过测量电子状态的空间演化来研究时间演变。初始状态是由带偏压的量子点接触来制备，并且其空间演化通过量子点能谱仪来测量。他们发现了与环境耦合的系统在弛豫至热平衡前存在非热亚稳态的有力证据，与TL理论一致。（方子明）

Signatures of a Nonthermal Metastable State in Copropagating Quantum Hall Edge Channels

Kosuke Itoh et al.

Phys. Rev. Lett. 120, 197701 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.197701

软物质与生物物理

导读：巫浩；责编：涂展春

软壁处的弹性流体力学升力

Davies等人通过实验研究了线性剪切流中不可形变的微珠在靠近覆盖着一薄层柔软聚合物的壁面时的运动状态。结合微流控技术和3D光学跟踪系统，他们演示了稳定态的珠到表面的距离随着剪切流的强度增加。此外，研究表明这种升力是由剪切流诱发的聚合物层的形变产生的，这与弹性流体动力学的理论预测定量一致。因此，这项研究提供了第一个“软润滑”在小尺度（例如与血液微循环的物理相关的系统）上起作用的实验证据。

Elastohydrodynamic Lift at a Soft Wall

Heather S. Davies, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 198001 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.198001

颗粒料斗流中堵塞和疏通的陷阱模型

流经狭窄排放口的颗粒流可能由于堵塞出口的拱形或拱顶的形成而中断。这些障碍物可以被振动破坏。一个难以获得的特征是在恒定振动下测量的堵塞寿命τ的宽分布p(τ)。在本文中，Nicolas等人提出了一个简单的拱形断裂模型，其中振动在形式上等同于Langevin方程中的热涨落；拱形的断裂相应于从能量陷阱中逃逸。作者推断了二维料斗实验中陷阱深度的分布。使用这种分布，他们解释了经验上观察到p(τ)的重尾。这些重尾在大τ处变平，这与在弱振动下的实验观察一致。但是，在这里，作者发现这种扁平化是系统性的，这令人怀疑微弱的振动能否永久维持有限的流出量。陷阱模型也再现了最近关于增加引力对于静态储物筒仓中堵塞形成的统计数据的影响结果。因此，尽管统计数据不同，但所提出的框架指出了堵塞和疏通过程的共同物理基础。

Trap Model for Clogging and Unclogging in Granular Hopper Flows

Alexandre Nicolas, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 198002 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.198002

密集颗粒流中瞬时形状

诱导的各向异性的运动学模型

非球形颗粒在自然界和工业中无处不在，但之前的颗粒介质理论模型大多局限于球形颗粒系统。问题在于，在非球形各向异性颗粒系统中，动态颗粒排列关键地影响着其力学响应。为了研究这类颗粒排列的趋势，Nadler等人提出了一个简单的运动学模型将颗粒流与颗粒之间相互排列的演化联系起来。通过与粒子法模拟相比较，对于从细长的米粒状（长椭球）到扁平的扁豆状（扁椭球）的各种颗粒形状的模拟支持了所提出的模型的合理性。该模型与稳态和瞬态响应模拟结果非常吻合，并推进了形状各向异性颗粒的本构模型的发展。

Kinematic Model of Transient Shape-Induced Anisotropy in Dense Granular Flow

B. Nadler, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 198003 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.198003

包含流体动力学

相互作用的鱼群行为模型

鱼类的集群行为往往通过受唯像的行为规则支配的自推进的粒子来建模。虽然我们知道鱼类可以感知和利用周围流体的流动特性，但这些传统模型通常忽略流体动力学。这里Filella等人提出了一个将行为规则与远场流体动力学相互作用相结合的新奇模型。他们发现：（1）一个新的“集体转向”模式衍生出来；（2）平均而言，流体的存在使得个体游得更快；（3）流动增强了行为噪音。该模型的结果表明，为了充分理解鱼类的群体动力学，应该考虑流体的动力学效应。

Model of Collective Fish Behavior with Hydrodynamic Interactions

Audrey Filella, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 198101 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.198101

组织的自组织生长中的临界点

Aguilar-Hidalgo等人提出了一个由组织发育的生物学实例所启发的生长区域中的斑图形成理论。信号分子的梯度调节生长，而生长通过稀释和对流来改变这些呈梯度的化学斑图。作者识别出这种反馈动力学的临界点，并用空间均匀生长和与组织长度成比例的斑图标度律来对其进行刻画。他们将这一理论应用于果蝇翅膀发育的生物模型系统，定量地确认了临界点存在的标志。

Critical Point in Self-Organized Tissue Growth

Daniel Aguilar-Hidalgo, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 198102 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.198102

拥挤环境中“奔跑-变向”粒子的优化扩散

本文研究了动力学复杂环境中自推进粒子的输运。为了获得精确的结果，在扩散的硬核障碍物存在的情况下，作者引入了一个随离散时间变化的在d维立方晶格上运动的“奔跑-变向”(run-and-tumble)粒子（RTPs）模型。作者推导了RTP的扩散率的显式表达式，该式在固定障碍物的低密度极限下是精确的。为此，作者引入关于马尔可夫过程的平均返回时间的广义Kac定理，他们预计该过程与一大类格子气问题相关。结果显示，对于足够低的障碍物活动性，RTPs的扩散率对于变向概率是非单调的。这些结果显示了在拥挤和无序环境中RTPs的优化运输的潜力及其在运动的人造和生物系统中的应用前景。

Optimized Diffusion of Run-and-Tumble Particles in Crowded Environments

Thibault Bertrand, et al

Phys. Rev. Lett. 120, 198103 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.198103

复杂网络上随机过程的不确定性约简

许多现实世界的系统是由随机动力学规则刻画的，其中各个元素之间相互作用的复杂网络从概率上决定了它们的状态。即使在充分了解网络结构和随机规则的情况下，预测系统构型的能力一般来讲也具有很大的不确定性。通过选择一小部分节点并观测其状态可能有助于减少未观测节点的不确定性。然而，如何以一种优化的方式来选择这些观测点是一项非常重要的任务，它取决于随机过程的本质和潜在的相互作用斑图的结构。在本文中，作者介绍了一种有效的算法来确定问题的准优化解。该方法利用网络稀疏性将计算复杂度从指数阶降低到接近平方阶，从而使该方法能够直接应用于中大型系统。虽然该方法仅对于定义在树图上的平衡随机过程是精确的，但对于稀疏环路网络上的非平衡过程该方法也被证明是有效的。

Uncertainty Reduction for Stochastic Processes on Complex Networks

F. Radicchi and C. Castellano

Phys. Rev. Lett. 120, 198104 (2018)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.198104

[文字编辑：谢晓芝]

来源：京师物理