PRL导读-2024年132卷25期

[编辑推荐] 两篇独立的文章通过证明在两量子比特维尔纳态的量子引导中，广义测量并不比投影值测量更强大，从而回答了一个重要的开放性问题。

即使在有噪声的单态（被称为维尔纳态）的简单Einstein-Podolsky-Rosen导引情景中，正算符值测量（POVMs）是否在展示贝尔非定域性方面有优势也一直未有定论。本文通过在一般的POVMs下为任意可见度r≤1/2的维尔纳态构建一个局域隐藏态模型，解决了这一长期未解的问题，从而闭合了所谓的维尔纳能隙。该构建基于一个针对所有有噪声的POVMs的精确测量的兼容性模型，并为较之前所知范围更大的维尔纳态提供了一个局域隐藏变量模型。

（张凡）

Exact Steering Bound for Two-Qubit Werner States

Yujie Zhang et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 250201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250201

[编辑推荐] 两篇独立的文章通过证明在两量子比特维尔纳态的量子引导中，广义测量并不比投影值测量更强大，从而回答了一个重要的开放性问题。

量子力学的一个关键特性是并非所有测量都是相容的。然而，如果测量受到噪声的影响，它们可能会失去这种不相容性。在本文中，作者考虑白噪声的影响，并确定使所有量子比特测量（即所有正操作值测度，POVMs）变得兼容（即联合可测）的临界可见性。此外，作者还将他的方法应用于量子导引和贝尔非局域性。作者获得了一个紧致的局部隐变量模型，它适用于可见性为1/2的双量子比特Werner态。这确定了双量子比特Werner态的精确引导界限，并提供了一个优于先前已知模型的局部隐变量模型。有趣的是，这证明了对于这些状态，POVMs在展示量子导引方面并不比投影测量更强大。

（陆龙业）

Compatibility of Generalized Noisy Qubit Measurements Neural Networks

Martin J. Renner

Phys. Rev. Lett. 132, 250202 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250202

在这项工作中，作者研究了由动力学波函数塌缩引起的原子系统在X射线频域中的自发电磁辐射。与之前文献中迄今为止考虑的简单情况（发射要么完全相干，如同一原子核中的质子，要么非相干，如电子）相比，有着显著偏离。在这个低能量范围内，自发辐射率强烈依赖于所研究的原子种类，并且首次被发现它还依赖于特定的塌缩模型。

（张凡）

X-Ray Emission from Atomic Systems Can Distinguish between Prevailing Dynamical Wave-Function Collapse Models

Kristian Piscicchia et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 250203 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250203

在量子力学中，哈密顿量决定了量子系统的演化，因此在实际的量子系统中实现高精度的哈密顿量生成和测量至关重要。在这里，作者利用序列控制，通过实验证明了超高精度哈密顿参数估计在超导电路中具有显着的量子优势。作者首先观察了由系统哈密顿量确定的非交换操作的对易关系，无论是否添加量子控制，都验证了受控非交换操作的对易性质。基于这种控制诱导的对易性质，作者进一步在超导电路中展示了极角和方位角的哈密顿参数估计，实现了超高的测量精度的计量增益，在N=100时，测量精度分别超过标准量子极限16.0和16.1 dB。

(汤中正）

Ultrahigh-Precision Hamiltonian Parameter Estimation in a Superconducting Circuit

Sai Li et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 250204 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250204

量子非定域性，最初由贝尔在其开创性的工作中提出，并通过一系列实验得到验证，由于其在各种协议中的实际应用，已经引起了广泛关注。评估和比较不同量子关联中非定域性的程度具有重要的实际意义。在资源理论框架内，可以通过评估在自由局部操作和共享随机性下不同非定域关联之间的转换率来实现这一点。然而，在这项研究中，作者展示了在最强意义上不可比的量子非定域关联的实例。具体来说，当从任意多的一个非定域关联的副本开始时，甚至变得不可能获得另一个关联的单一副本，而且这种不可比性在两个方向上都成立。即使在最简单的贝尔情景中也可以获得这样不可比的量子关联，该情景涉及两个各有两个二分测量设置的参与方。值得注意的是，存在不可数的这种不可比关联。作者的结果挑战了“独特金币”的概念，通常被称为量子非定域性资源理论框架内的“最大资源状态”。为此，作者提供了一些无法提纯到Tsirelson点的各向同性量子关联的例子，从而部分回答了非定域性提纯中一个长期悬而未决的问题。

(汤中正）

Quantum Nonlocality: Multicopy Resource Interconvertibility and Their Asymptotic Inequivalence

Subhendu B. Ghosh et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 250205 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250205

作者提出了一种新方法，利用集团关联展开技术模拟耦合到相互作用的耗散自旋浴的中心自旋的退相干。作者在通用的1D和2D自旋浴上验证了该方法，并发现其与数值精确模拟高度一致。作者的计算显示了耗散与相干自旋交换之间的复杂相互作用，它在快速耗散的情况下会增加中心自旋的相干性。最后，作者对近表面金刚石中的氮空位中心进行了建模，结果表明，考虑自旋浴的耗散对于理解它们的退相干现象至关重要。作者的方法可以应用于多种系统，并提供了一种研究耗散环境中自旋动力学的强大工具。

（张凡）

Understanding Central Spin Decoherence Due to Interacting Dissipative Spin Baths

Mykyta Onizhuk et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 250401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250401

作者研究了最近引入的一类砖砌式量子电路中量子信息的传播，这类电路推广了双幺正类。这些电路在时间上是幺正的，而它们的空间动力学仅在一个有限的子空间中是幺正的。首先，我们证明了在双幺正电路中，局部算符以光速传播，即蝶形速度取电路几何结构所允许的最大值。然后，作者证明了对于一组相容的初态(实际上，它是双幺正电路相容族的一个扩展)，纠缠扩展仍然可以精确表征，并且渐近纠缠斜率再次独立于Rényi 指数。然而，值得注意的是，作者发现纠缠速度一般小于1。作者利用这些性质找到了缠结膜线张力的封闭表达式。

（胡坤）

Quantum Information Spreading in Generalized Dual-Unitary Circuits

Alessandro Foligno et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 250402 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250402

A powerful tool emerging from the study of many-body quantum dynamics is that of dual-unitary circuits, which are unitary even when read “sideways,” i.e., along the spatial direction. Here, we show that this provides the ideal framework to understand and expand on the notion of measurement-based quantum computation (MBQC). In particular, applying a dual-unitary circuit to a many-body state followed by appropriate measurements effectively implements quantum computation in the spatial direction. We show how the dual-unitary dynamics generated by the dynamics of the paradigmatic one-dimensional kicked Ising chain with certain parameter choices generate resource states for universal deterministic MBQC. Specifically, after k time steps, equivalent to a depth-k quantum circuit, we obtain a resource state for universal MBQC on ∼3k/4 encoded qubits. Our protocol allows generic quantum circuits to be “rotated” in space-time and gives new ways to exchange between resources like qubit number and coherence time in quantum computers. Beyond the practical advantages, we also interpret the dual-unitary evolution as generating an infinite sequence of new symmetry-protected topological phases with spatially modulated symmetries, which gives a vast generalization of the well-studied one-dimensional cluster state and shows that our protocol is robust to symmetry-respecting deformations.

Universal Measurement-Based Quantum Computation in a One-Dimensional Architecture Enabled by Dual-Unitary Circuits

David T. Stephen et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 250601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250601

The Knill-Laflamme conditions distinguish exact quantum error correction codes, and they have played a critical role in the discovery of state-of-the-art codes. However, the family of exact codes is a very restrictive one and does not necessarily contain the best-performing codes. Therefore, it is desirable to develop a generalized and quantitative performance metric. In this Letter, we derive the near-optimal channel fidelity, a concise and optimization-free metric for arbitrary codes and noise. The metric provides a narrow two-sided bound to the optimal code performance, and it can be evaluated with exactly the same input required by the Knill-Laflamme conditions. We demonstrate the numerical advantage of the near-optimal channel fidelity through multiple qubit code and oscillator code examples. Compared to conventional optimization-based approaches, the reduced computational cost enables us to simulate systems with previously inaccessible sizes, such as oscillators encoding hundreds of average excitations. Moreover, we analytically derive the near-optimal performance for the thermodynamic code and the Gottesman-Kitaev-Preskill code. In particular, the Gottesman-Kitaev-Preskill code’s performance under excitation loss improves monotonically with its energy and converges to an asymptotic limit at infinite energy, which is distinct from other oscillator codes.

Near-Optimal Performance of Quantum Error Correction Codes

Guo Zheng et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 250602 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250602

A powerful tool emerging from the study of many-body quantum dynamics is that of dual-unitary circuits, which are unitary even when read “sideways,” i.e., along the spatial direction. Here, we show that this provides the ideal framework to understand and expand on the notion of measurement-based quantum computation (MBQC). In particular, applying a dual-unitary circuit to a many-body state followed by appropriate measurements effectively implements quantum computation in the spatial direction. We show how the dual-unitary dynamics generated by the dynamics of the paradigmatic one-dimensional kicked Ising chain with certain parameter choices generate resource states for universal deterministic MBQC. Specifically, after k time steps, equivalent to a depth-k quantum circuit, we obtain a resource state for universal MBQC on ∼3k/4 encoded qubits. Our protocol allows generic quantum circuits to be “rotated” in space-time and gives new ways to exchange between resources like qubit number and coherence time in quantum computers. Beyond the practical advantages, we also interpret the dual-unitary evolution as generating an infinite sequence of new symmetry-protected topological phases with spatially modulated symmetries, which gives a vast generalization of the well-studied one-dimensional cluster state and shows that our protocol is robust to symmetry-respecting deformations.

Single-Electron Qubits Based on Quantum Ring States on Solid Neon Surface

Toshiaki Kanai et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 250603 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250603

A powerful tool emerging from the study of many-body quantum dynamics is that of dual-unitary circuits, which are unitary even when read “sideways,” i.e., along the spatial direction. Here, we show that this provides the ideal framework to understand and expand on the notion of measurement-based quantum computation (MBQC). In particular, applying a dual-unitary circuit to a many-body state followed by appropriate measurements effectively implements quantum computation in the spatial direction. We show how the dual-unitary dynamics generated by the dynamics of the paradigmatic one-dimensional kicked Ising chain with certain parameter choices generate resource states for universal deterministic MBQC. Specifically, after k time steps, equivalent to a depth-k quantum circuit, we obtain a resource state for universal MBQC on ∼3k/4 encoded qubits. Our protocol allows generic quantum circuits to be “rotated” in space-time and gives new ways to exchange between resources like qubit number and coherence time in quantum computers. Beyond the practical advantages, we also interpret the dual-unitary evolution as generating an infinite sequence of new symmetry-protected topological phases with spatially modulated symmetries, which gives a vast generalization of the well-studied one-dimensional cluster state and shows that our protocol is robust to symmetry-respecting deformations.

Robust Quantum Gates against Correlated Noise in Integrated Quantum Chips

Kangyuan Yi et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 250604 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250604

We present a quantum sensing technique that utilizes a sequence of π pulses to cyclically drive the qubit dynamics along a geodesic path of adiabatic evolution. This approach effectively suppresses the effects of both decoherence noise and control errors while simultaneously removing unwanted resonance terms, such as higher harmonics and spurious responses commonly encountered in dynamical decoupling control. As a result, our technique offers robust, wide-band, unambiguous, and high-resolution quantum sensing capabilities for signal detection and individual addressing of quantum systems, including spins. To demonstrate its versatility, we showcase successful applications of our method in both low-frequency and high-frequency sensing scenarios. The significance of this quantum sensing technique extends to the detection of complex signals and the control of intricate quantum environments. By enhancing detection accuracy and enabling precise manipulation of quantum systems, our method holds considerable promise for a variety of practical applications.

Wide-Band Unambiguous Quantum Sensing via Geodesic Evolution

Ke Zeng et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 250801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250801

The postselected quantum metrological scheme is especially advantageous when the final measurements are either very noisy or expensive in practical experiments. In this Letter, we put forward a general theory on the compression channels in postselected quantum metrology. We define the basic notions characterizing the compression quality and illuminate the underlying structure of lossless compression channels. Previous experiments on postselected optical phase estimation and weak-value amplification are shown to be particular cases of this general theory. Furthermore, for two categories of bipartite systems, we show that the compression loss can be made arbitrarily small even when the compression channel acts only on one subsystem. These findings can be employed to distribute quantum measurements so that the measurement noise and cost are dramatically reduced.

Theory of Compression Channels for Postselected Quantum Metrology

Jing Yang

Phys. Rev. Lett. 132, 250802 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.250802

[编辑推荐] [Featured in Physics] 理论学者解释了即使实际的暴涨会由多个场驱动，但仍表现为单场驱动的原因。

实现宇宙暴涨阶段的大多数高能结构都包含多个自由度。但是，宇宙学观测都与单场嵌入一致。作者展示了体积选择效应解释这一显然矛盾的理由。由于量子扩散，空间的不同区域膨胀程度不同。在膨胀最多且最终主导宇宙体积的区域，作者给出了一个将暴涨动力学转化向单场吸引子的一般机制。为此发展了约束的随机暴涨机制。

Why Does Inflation Look Single Field to Us?

Koki Tokeshi and Vincent Vennin

Phys. Rev. Lett. 132, 251001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.251001

迄今对来自致密双星合并信号的LIGO-Virgo分析都假设孤立双星系统处于真空中，忽略潜在的天体物理环境。作者在本文中进行了环境对GWTC-1事件以及来自GWTC-2的两个低质量事件影响的首个研究。作者并未找到环境影响存在的证据。大多数事件明确地排除了大质量星体动态破碎作为其形成渠道的情形。GW170817给出了中间密度最严格的上界（≲21  g/cm³）。作者发现环境效应会影响真空模型中已发现的参数，即使在这些效应不可探测时。作者预测爱因斯坦望远镜与B-DECIGO将能够探测吸积盘与致密星体超辐射玻色云的环境效应。

First Constraints on Compact Binary Environments from LIGO-Virgo Data

Giada Caneva Santoro et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 251401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.251401

我们计算了电动力学中两个带电非自旋体的势-光子对经典相对论散射角的贡献，直到耦合的第五阶。我们使用散射振幅框架、有效场论和基于分部积分和微分方程的多圈积分技术。在第五阶，结果以循环多对数的形式表示。我们的计算证明了广义相对论中相应计算的可行性，包括对遇到的四圈积分的估计。

Conservative Binary Dynamics at Order 𝛼⁵ in Electrodynamics

Zvi Bern, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 251601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.251601

We introduce and study a novel class of classical integrable many-body systems obtained by generalized    deformations of free particles. Deformation terms are bilinears in densities and currents for the continuum of charges counting asymptotic particles of different momenta. In these models, which we dub “semiclassical Bethe systems” for their link with the dynamics of Bethe ansatz wave packets, many-body scattering processes are factorized, and two-body scattering shifts can be set to an almost arbitrary function of momenta. The dynamics is local but inherently different from that of known classical integrable systems. At short scales, the geometry of the deformation is dynamically resolved: either particles are slowed down (more space available), or accelerated via a novel classical particle-pair creation and annihilation process (less space available). The thermodynamics both at finite and infinite volumes is described by the equations of (or akin to) the thermodynamic Bethe ansatz, and at large scales generalized hydrodynamics emerge.

New Classical Integrable Systems from Generalized   -Deformations

Benjamin Doyon, Friedrich Hübner, and Takato Yoshimura

Phys. Rev. Lett. 132, 251602 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.251602

[Editors’ Suggestion] Perturbative quantum field theoretic methods confirm the solution of the Einstein field equations in the presence of a point source to be the Schwarzschild metric.

将量子场论微扰方法应用于爱因斯坦引力，我们在微扰理论中逐阶计算了史瓦西黑洞的度规。使用递归，这种计算可以在de Donder规范中以牛顿常数的所有阶数进行。结果是一个几何级数，它在有限半径的圆盘外收敛，并且在其收敛区域内与已知的史瓦西黑洞的de Donder规范度规一致。因此，它在有物质源的爱因斯坦引力中提供了一个所有阶阶微扰计算，并且这个级数在预期的收敛范围内收敛到已知的非微扰表达式。

Schwarzschild Black Hole from Perturbation Theory to All Orders

Poul H. Damgaard and Kanghoon Lee

Phys. Rev. Lett. 132, 251603 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.251603

[Editors’ Suggestion] The NNLO QCD contributions to the semi-inclusive deep-inelastic scattering (SIDIS) process are computed, and this might reduce the scale-dependent measurement uncertainties at the forthcoming electron-ion collider.

深非弹性轻子-核子散射中的半单举强子产生过程是研究核子夸克味结构和夸克碎裂动力学的重要探针。我们以解析的形式计算了半单举深度非弹性散射系数函数的全次次阶QCD修正。通过与欧洲核子研究中心COMPASS实验的单单举强子谱数据的详细比较，说明了这些校正对精确物理的数值影响。

Semi-Inclusive Deep-Inelastic Scattering at Next-to-Next-to-Leading Order in QCD

Leonardo Bonino, Thomas Gehrmann, and Giovanni Stagnitto

Phys. Rev. Lett. 132, 251901 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.251901

[Editors’ Suggestion] The NNLO QCD contributions to the semi-inclusive deep-inelastic scattering (SIDIS) process are computed, and this might reduce the scale-dependent measurement uncertainties at the forthcoming electron-ion collider.

我们给出了微扰量子色动力学中半单举深非弹性散射过程的次次阶（NNLO）修正的第一个结果。我们考虑了夸克所引发的味非单过程，并在领头色下得到了解析的完全贡献。所有相关的虚发射和实发射费曼图都是使用分步积分来约化到主积分的，并使用两种方法进行后续评估（参数相空间积分和微分方程方法）。数值分析表明了NNLO校正的重要性及其对降低残余尺度依赖性的巨大影响。

Next-to-Next-to-Leading Order QCD Corrections to Semi-Inclusive Deep-Inelastic Scattering

Saurav Goyal, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 251902 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.251902

迄今为止，格点QCD的数值模拟还没有发现预计在足够轻的π介子中发生的一级手性相变。我们展示了如何通过精确的全局手性对称性的恢复来显著减少近似、异常的𝑈_𝐴(1)对称性的破坏。这可以通过一到四种味的模拟在格点上进行验证。在QCD中，手性对称相中𝑈_𝐴(1)对称性的微小破坏会产生新的实验信号。

Conjectures about the Chiral Phase Transition in QCD from Anomalous Multi-Instanton Interactions

Robert D. Pisarski and Fabian Rennecke

Phys. Rev. Lett. 132, 251903 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.251903

The gravitational form factors (GFFs) of a hadron encode fundamental aspects of its structure, including its shape and size as defined from, e.g., its energy density. This Letter presents a determination of the flavor decomposition of the GFFs of the proton from lattice QCD, in the kinematic region 0≤−𝑡≤2  GeV². The decomposition into up-, down-, strange-quark, and gluon contributions provides first-principles constraints on the role of each constituent in generating key proton structure observables, such as its mechanical radius, mass radius, and 𝐷 term.

Gravitational Form Factors of the Proton from Lattice QCD

Daniel C. Hackett, Dimitra A. Pefkou, and Phiala E. Shanahan

Phys. Rev. Lett. 132, 251904 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.251904

在超相对论重离子碰撞中，在原子核碰撞的 1 fm/c 范围内形成了退禁闭的夸克-胶子等离子体。在 1 fm/c 之前，碰撞的复杂动力学过程通常用参数模型来描述，这影响着计算的预测性。Matthew Heffernan 等人将碰撞早期阶段的第一性原理模型与等离子体的流体力学模型结合，系统分析了 LHC 的 Pb-Pb 碰撞测量结果。他们得到了夸克-胶子等离子体的剪切和体积黏度的最新约束。他们通过将贝叶斯模型平均法与迁移学习相结合，降低了从头算初始条件的额外成本，从而能够考虑流体动力学（系统）到强子转变过程中的重要理论不确定度。他们的研究表明，相比恒定值剪切粘度，尽管温度依赖有明显的强约束，但平衡模型预测性和数据一致性程度的指标并不倾向于支持有温度依赖的剪切粘度。他们的模型与未在校准中使用的区分性观测值显示出极好的一致性。

（褚胤涵）

Early-Times Yang-Mills Dynamics and the Characterization of Strongly Interacting Matter with Statistical Learning

Matthew Heffernan et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 252301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.252301

[编辑推荐] [Featured in Physics] 研究人员测量了60年前预测的锶中难以观察到的电子跃迁。

作者报道了⁸⁸Sr中超窄¹𝑆₀-³𝑃₂磁四极跃迁的相干激发。通过将原子限制在对状态不敏感的光晶格中，作者获得97(1)%的激发分数，观察到窄至58(1)Hz的线宽。使用Ramsey光谱学，作者发现相干时间为14(1)毫秒，使用自旋回波序列可以延长至266(36)毫秒。作者确定磁四极辐射自发辐射的³𝑃₂能级的寿命为110(31)分钟，证实了长期以来的理论预测。这些结果在锶中建立了额外的时钟跃迁，为亚稳态³𝑃₂态在量子计算和量子模拟中的应用铺平了道路。

Long-Lived Coherence on a μHz Scale Optical Magnetic Quadrupole Transition

V. Klüsener, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 253201 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.253201

多态非厄米系统中会出现高阶异常点(EP)和奇异现象，而在二能级系统中没有类似现象。其中一个范式是特殊联结(EX)，这是一个异常弧(EAs)的尖端奇点对应的三阶EP，具有混合拓扑性质。利用原子玻色-爱因斯坦凝聚体实现耗散的三态系统，作者在实验上实现了一个双参数空间内的EX，但它不具有对称性。由于原子对共振光的集体响应，调控耗散表现出密度依赖性。基于对系统衰变动力学的大量分析，作者证明EX是由两个具有不同几何形状的EAs合并而成。这些结构源于耗散在强耦合极限和量子Zeno区域中所起的不同作用而致。作者的工作为在超冷原子的多体平台上探索更高阶的异常物理铺平了道路。

Exceptional Nexus in Bose-Einstein Condensates with Collective Dissipation

Chenhao Wang, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 253401 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.253401

[编辑推荐] 首次证明了细长粒子绕其长轴稳定旋转，其转速高达GHz，阻尼率为毫赫兹，导致高(~10¹²)Q因子。

一个细长的物体可以像螺旋桨一样绕着它的短轴旋转，也可以像陀螺一样绕着它的长轴旋转。近年来，一些研究系统性地探讨了光学悬浮纳米粒子的短轴旋转和摆动。值得注意的是，短轴旋转自由度已经被冷却到毫开尔文的温度，并被驱动到千兆赫兹的旋转速度。然而，受控的长轴旋转到目前为止仍然是一个未实现的目标。在这里，作者展示了一个旋转速率超过1GHz的光学悬浮纳米哑铃的受控长轴旋转。作者证明在高真空中阻尼率可以低至几毫赫兹。作者的研究结果开辟了惯性力矩传感和转动量子干涉研究的应用。

Long-Axis Spinning of an Optically Levitated Particle: A Levitated Spinning Top

J. A. Zielińska, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 253601 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.253601

作者利用一种混合俘获方案对悬浮纳米粒子的运动热态进行空间膨胀，随后收缩。粒子的质心运动在光阱中的热态（温度为 155 mK）下初始化，然后在没有光场的情况下，在较柔和的Paul阱中随着演化膨胀。作者证明运动状态的位置标准差扩大了24倍。在作者的系统中，态的膨胀在没有光子反冲反作用的情况下发生，使这种方法适用于相干波函数膨胀。

State Expansion of a Levitated Nanoparticle in a Dark Harmonic Potential

Eric Bonvin, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 253602 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.253602

作者预测，在弱色散介质中传播的强长波少周期脉冲由于极强的色散激波正则化，将会产生新型的𝑋-波。当泵浦在强非线性弱色散状态下传播时，麦克斯韦方程组的鲁棒传播不变解表现为高次谐波转换中的渐近态，而弱非线性锥形发射则由色散主导。

Multiharmonic Spanning Nonlinear 𝑋-wave: An Asymptotic State of Extreme Long Wave Infrared Dispersive Shock Regularization

Michael G. Hastings, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 253801 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.253801

除了已经成功实现的光推动和光诱捕之外，利用光拉力(OPFs)将物体向后传输到光源也引起了极大的关注，这通常是通过增加光的正向动量来实现的。然而，光与物体之间有限的动量传递极大地限制了OPFs的幅度。在这里，作者提出一种通过连续统中的束缚态产生物体和背景之间强相互作用的机制，可以在不增加光的正向动量的情况下产生大的OPFs。其基本物理原理是在模式对称的辅助下从设计的背景晶格单元中提取动量。这项工作为非凡的光学操作铺平了道路，显示出探索介质中光动量的巨大潜力。

Mode-Symmetry-Assisted Optical Pulling by Bound States in the Continuum

Hang Li, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 253802 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.253802

椭圆或圆偏振光束的自旋角动量(SAM)可以传递给物质以驱动旋转。违反直觉的是，没有SAM的光束也会导致微粒旋转。在这里，作者展示了通过紧密聚焦的径向偏振涡旋光束对双折射微粒的可控旋转，该光束在聚焦前没有SAM。为此，作者提出利用轨道霍尔效应来控制聚焦场中两个自旋分量的径向分离，并通过操纵光源的扭曲波前来实现局域SAM到微粒的可调谐转移。作者的工作拓宽了通过自旋-轨道相互作用施加可控光力矩的前景。

Controllable Microparticle Spinning via Light without Spin Angular Momentum

Yi-Jing Wu, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 253803 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.253803

滑坡研究的主要目标之一是预测滑坡会流动多远。滑坡的行为非常复杂，从原理上讲，需要考虑众多参数才能完全理解。在这里，作者们通过研究实验室中的颗粒实验和尺度分析，对最大滑坡流动距离进行简化研究。作者们发现，正确考虑落差高度和颗粒尺寸分布，不仅能改善标准化流动距离的相关性，而且还能量化地统一实验室和现场数据。特别是，作者们发现滑坡的流动性随着落差高度的平方根和颗粒尺寸分布的偏斜度的增加而增加。

（邱仲普）

Granular Scaling Approach to Landslide Runout

Rory T. Cerbus, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 254101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.254101

利用自由电子进行量子增强测量的一个重要部件是电子谐振器。Seidling等人在线性自动引导结构中稳定引导了50 eV的自由电子，最长达七次往返。该结构中所需的电磁场由两个微结构印刷电路板产生。自由电子由尖锐的钨针尖激光触发，并通过亚纳秒快速可切换的电子镜耦合进入电子谐振器的前端。经过可变时间延迟后，打开后电子镜，并使用延迟线探测器测量捕获电子的数量。通过模拟展示了优化电子谐振器的方法，这将有助于实现“无相互作用”测量，包括基于多程和量子齐诺效应的方案，帮助实现量子电子显微镜。

（杨宁）

Resonating Electrostatically Guided Electrons

M. Seidling et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 255001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.255001

本文报道了对低熔点金属纳米棒的超伸长变形的原位电镜观察。具体来说，直径小至143纳米的金属纳米棒可以在0.87T_m下均匀拉伸786%而不会缩颈。此外，相应的断裂应力表现出明显的尺寸效应。通过实验观察和分子动力学模拟相结合，揭示了晶体-核-液体-壳结构，并在此基础上建立了包含扩散蠕变机制和表面张力效应的本构模型。该研究不仅为理解纳米材料的扩散主导本构响应建立了开创性的参考，而且对高温应用中金属的设计和加工具有重大意义。

（郭恺怡）

Diffusion-Mediated Superelongation in Metal Nanorods

Hui Fang, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.256201

Si/SiO₂界面存在由孤立陷阱态构成的区域，这些陷阱态改变其化学性质。这些陷阱对于半导体基量子传感器、计算机以及纳米电子器件的发展具有至关重要的意义。这篇工作利用频率调制的原子力显微镜，以纳米级的空间分辨率对Si/SiO₂界面的电容率进行了研究。所测量的样品是在硅本征氧化物界面下2纳米处埋藏的图案化掺杂δ层。研究发现，Si/SiO₂界面的电荷排列时间尺度在1至150纳秒之间，并且在界面陷阱周围显著增加。作者得出结论，在随时间变化的栅极偏置下，金属-绝缘体-半导体电容器器件中的介电损耗频率范围为MHz至亚MHz，并且在纳米长度尺度上高度空间不均一。

（马润宇）

Spatially Resolved Dielectric Loss at the Si/SiO₂ Interface

Megan Cowie, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256202 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.256202

电子量子光学旨在实现光量子理论的思想，即电子导体中的电荷脉冲发挥光子的作用。在实验上，电荷脉冲由时间依赖的电压激发；然而，人们也可以通过加热和冷却电极来产生热脉冲。在这里，作者通过制定介观导体中热脉冲的Floquet散射理论来探索这个有趣的想法。热脉冲的绝热发射产生由热导量子给出线性响应的热流。然而，作者还发现了一个高频分量，它验证了热流的波动-耗散定理，其有效性一直存在争议。热脉冲不带电，作者通过评估量子点接触输出中的分配噪声来探测它们的电子空穴含量。作者还采用Hong-Ou-Mandel设置来检查脉冲是束还是反束。最后，为了产生电流，作者使用Mach-Zehnder干涉仪来破坏电子-空穴对称性，从而实现热电效应。这个工作为系统研究介观导体中的热脉冲铺平了道路，并可能激发未来的实验。

（郭婷）

Heat Pulses in Electron Quantum Optics

Pedro Portugal, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256301 (2024)

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.256301

密度泛函理论在电子结构计算领域中的显著地位，源自其能有效地平衡准确度与计算工作量。这一能力的基础在于一个关于电子密度的泛函：即交换关联能量。该泛函满足一些已知的确切条件，这些条件指导了近似方法的推导。其中，强烈约束并适当规范化的(SCAN)近似方法作为一个成功且现代的例子脱颖而出。在这篇文章中，作者展示了如何利用自旋电流密度泛函理论中交换关联泛函的SU(2)规范不变性。仅基于第一性原理，在SCAN泛函（这里称为JSCAN）以及类似的元梯度泛函近似中加入对自旋流的显式依赖。此外还推导出了一个依赖于自旋流的电子局域化函数的一般化形式（这里称为JELF）。这些扩展形式已在crystal23程序的开发者版本中实现。在分子和材料上的应用确认了这些扩展的实际意义。

（温博阳）

Spin Currents via the Gauge Principle for Meta-Generalized Gradient Exchange-Correlation Functionals

Jacques K. Desmarais, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.256401

在FeGe中，一种前所未有的现象是电荷密度波(CDW)在反铁磁(AFM)相内部产生，这表明存在一种与磁性相关的特殊CDW机制。作者展示，通过后生长退火处理FeGe中的CDW和磁性均可得到有效调控。与之前报道的短程CDW不同，在320℃下退火超过48小时的单晶中，低于110K时实现了一种长程CDW有序。CDW和AFM的转变温度似乎彼此呈负相关。CDW相的出现显著降低了自旋翻转转变的临界场，而CDW转变在诸如退火引起的磁性团簇和自旋倾斜转变等微小磁序变化下仍保持稳定。单晶X射线衍射测量揭示了Ge1位点上的显著无序，其特征是Ge1原子沿c轴从Fe₃Ge层的位移，且这一无序可通过退火过程可逆地修改。所观察到的可通过退火调节的CDW和磁性秩序，能够用Ge1位点上的无序来很好地解释。作者的研究为探索FeGe中非常规CDW机制及一般性Kagome材料提供了重要的出发点。

（刘然）

Annealing-Tunable Charge Density Wave in the Magnetic Kagome Material FeGe

Xueliang Wu, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.256501

载流子掺杂通常会降低半导体或绝缘体的电阻，但最近发现在某些系列材料中掺杂显著增强了电阻。利用这种显著的抗掺杂效应，在纳米级氢化钙钛矿镍酸盐中实现了突触记忆树，为神经形态计算开辟了新的方向。为了理解这些现象，该研究根据抗掺杂效应的微观机理建立了一个物理相场模型，并模拟了氢化钙钛矿镍酸盐典型体系中电压驱动的电阻变化。值得注意的是，使用该模型进行的模拟仅包含一个可调参数，而该参数的大小已通过第一原理计算得到证实，模拟结果定量地再现了实验观测到的树状电阻态，并明确显示这些电阻态是由质子再分布引起的局部带隙增强和载流子阻滞产生的。该研究为在介观尺度上模拟强关联材料中的抗掺杂现象奠定了基础，可以为设计基于抗掺杂物理的新型器件提供指导。

（贾子璇）

Phase-Field Model of Electronic Antidoping

Yin Shi, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256502 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.256502

[编辑推荐] 在常压下，对多晶La₃Ni₂O_6.92进行的正μ子自旋弛豫研究揭示了与自旋密度波一致的静态长程体磁序。

最近，在加压下发现的双层镍酸盐La₃Ni₂O_7−δ 中的临界温度T_c高达80 K的超导性引起了广泛关注。这里，本文报告了在常压下对多晶La₃Ni₂O_6.92进行的正μ子自旋弛豫(μ⁺SR)研究。零场μ⁺SR实验揭示了La₃Ni₂O_6.92中存在T_N = 154 K的磁序。弱横场μ⁺SR测量揭示了磁性的体性质。此外，少量的氧缺陷可以大大拓宽μ子感知的内部磁场分布。

（范增辉）

Evidence of Spin Density Waves in La₃Ni₂O_7−δ

Kaiwen Chen, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256503 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.256503

尽管最近在实验上取得了进展，但在填充ν = 5/2时分数量子霍尔态的拓扑序仍然是一个悬而未决的问题。本文作者研究了在电荷平衡状态下量子点接触装置中的电导和散粒噪声，并表明在Pfaffian、粒子-空穴Praffian和反Pfaffian (aPf)候选状态中，空穴-共轭aPf态是独特的，因为它可以通过两种根本不同的机制在G = (7/3) e² / h处产生电导平台。本文证明可以通过平台上的散粒噪声测量来区分这些机制，并且还确定了相干区域中aPf态电导的不同特征。该结果可用于实验上挑选确定aPf序。

（范增辉）

Fingerprints of Anti-Pfaffian Topological Order in Quantum Point Contact

Jinhong Park, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.256601

[编辑推荐语] [Featured in Physics] 被称为磁振子的磁波携带的自旋电流可以在不使用绝缘磁体的情况下穿过设备，这一成果可能会促成与硅电子器件兼容的自旋电子器件。

在磁性材料中，将角动量在不同自由度之间转换，源于电子、磁振子和声子之间的动力学相互作用。这种相互作用对于实现依赖于自旋角动量传输的自旋电子器件概念至关重要。作者建立了一种长程角动量传输的新概念，进一步使作者能够在纳米结构的金属铁磁体中定位并分离出磁振子对角动量传输的贡献。为此，作者在一个抗磁性基底上，电激励并探测了两个平行且电绝缘的铁磁金属条之间的自旋传输。铁磁条内部的电荷到自旋电流转换产生了电子自旋角动量，通过电子-磁振子耦合，这一角动量被传递给磁振子。作者观察到，跨越微米级的抗磁性基底，有限的角动量流到达第二个铁磁条，这一角动量通过第二个条中的逆向电荷到自旋电流转换过程被电探测到。作者讨论了声子与偶极子的相互作用作为可能的原因，促成了两个条间角动量的转移。此外，作者的研究提供了实验基础，用以分离电子自旋传输和磁振子自旋传输，从而为设计不依赖于磁性绝缘体的磁振子器件概念铺平了道路。

（刘然）

Electrically Induced Angular Momentum Flow between Separated Ferromagnets

Richard Schlitz, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256701 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.256701

在互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的铪酸盐（HfO₂）中实现铁电性对于制造高集成度非易失性存储设备至关重要。然而，要在HfO₂中捕获铁电性，需要稳定热力学上亚稳的正交或菱面体相，这涉及到缺陷（如掺杂剂和空位）的引入，并以晶体缺陷为代价，导致不易唤醒和疲劳效应。本文作者报告了一种理论策略，通过设计一系列外延生长的(HfO₂)₁/(CeO₂)₁超晶格，实现了基于HfO₂的铁电体中强大铁电性的实现。所设计的铁电超晶格无缺陷，更重要的是，其基于HfO₂的热力学稳定单斜相。因此，这允许创造出极佳的铁电性质，包括大于25μC/cm²的电极化强度和约2.5meV/atom的超低极化切换能量障碍。本工作可能为高性能HfO₂基铁电器件的制造开辟了新途径。

（马润宇）

Creating Ferroelectricity in Monoclinic (HfO₂)₁/(CeO₂)₁ Superlattices

Hong Jian Zhao, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.256801

该研究研发了一种新型准弹性散射光谱系统，该系统采用多线频率梳状分辨率函数，克服了传统光谱系统固有的单能量分辨率对可访问时间尺度的限制。这一新型多线系统具有多种分辨率，可有效覆盖从100ps到100ns的宽时间范围，而在这一范围内，基于X射线的动态测量技术正得到积极发展。该系统利用二维探测器实现了弛豫形状和随波数变化的动态行为的可视化，天然聚合物聚丁二烯的实验证明了这一点。

（贾子璇）

Broadband Quasielastic Scattering Spectroscopy Using a Multiline Frequency Comblike Spectrum in the Hard X-Ray Region

Makina Saito, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256901 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.256901

非厄米简并揭示了开放物理系统中有趣的和非平庸的行为。诸如宇称-时间(PT)对称性破缺、拓扑环手性和异常点(EP)附近的增强传感等例子通常与这些简并周围相变的突变性有关。在这里，作者通过实验观察了在PT对称线上的腔增强二次谐波频率(SHG)转换，即由一组开放式的等频线或等损线组成，均终止于参数空间中黎曼面上的EPs。增强因子可高达300，取决于PT线的对称相位或破缺相位的交叉点。此外，这种SHG的增强使得具有纳米分辨率的敏感距离传感成为可能。本文的工作可能为传感、频率转换和相干波控制的实际应用铺平道路。

（郭恺怡）

Enhanced Frequency Conversion in Parity-Time Symmetry Line

Jiankun Hou, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256902 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.256902

最近开发的太赫兹（THz）二维相干光谱（2DCS）是一种强大的技术，可以以与其他光谱学定性不同的方式获取材料信息。作者利用太赫兹2DCS研究了传统超导体NbN的太赫兹非线性响应。利用宽带太赫兹脉冲作为光源，作者观察到一个三阶非线性信号，其频谱成分在超导间隙能量2Δ的两倍处达到峰值。利用窄带太赫兹脉冲，在驱动频率Ω处识别出太赫兹非线性信号，并在温度Ω=2Δ时表现出谐振增强。一般的理论研究表明，这种共振只能从光和电子电流之间的无序激活的顺磁耦合中产生。这证明非线性太赫兹响应可以进入与抗磁性拉曼密度涨落不同的过程，后者被认为是金属光频率下非线性响应的主导因素。作者的数值模拟表明，即使对于少量的无序，在整个研究的无序范围内，Ω=2Δ共振也由超导振幅模式主导。这与其他共振相反，后者的振幅模式贡献取决于无序。作者的研究结果证明了太赫兹2DCS探索其他光谱学无法实现的集体激发的独特能力。

（郭婷）

Revealing Novel Aspects of Light-Matter Coupling by Terahertz Two-Dimensional Coherent Spectroscopy: The Case of the Amplitude Mode in Superconductors

Kota Katsumi, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 256903 (2024)

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.256903

[编辑推荐] [Featured in Physics] 时变网络和输运理论之间的联系为发展网络的预测运动方程开辟了前景。

真实的网络是复杂的动态系统，随着节点和连接的增加和删除而在时间上演化。目前，这种动力学还没有原则性的数学理论，这是一个巨大的挑战。本文中，作者证明了不同真实网络的双曲嵌入中节点的流行度和相似度轨迹表现出普适的自相似性质，其具有典型的Hurst指数H≤0.5。这意味着轨迹是可预测的，且表现出反持久或“均值回归”的行为，它们可以被分数布朗运动过程充分捕获。观察到的行为可以在具有潜在几何空间的合成网络中定性地再现，但不能在缺乏这种空间的网络中再现，这表明观察到的亚扩散动力学与真实网络的隐藏几何具有内在联系。这些结果为描述和预测真实网络动力学的严格数学机制奠定了基础。

（谭宇涛）

Fundamental Dynamics of Popularity-Similarity Trajectories in Real Networks

Evangelos S. Papaefthymiou, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 257401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.257401

Herrero和Berthier提出了一种计算策略来量化动态促进作用影响低温玻璃形成液体弛豫动力学的时间尺度和长度尺度的温度演变，这不需要对动力学的性质进行假设。在两种玻璃模型中，作者发现动态促进作用强烈依赖于温度，导致使用依赖于温度的动态指数来表征的弛豫事件的次扩散传播。作者还确定这种温度演变对结构弛豫时间的增加起主要作用。

Direct Numerical Analysis of Dynamic Facilitation in Glass-Forming Liquids

Cecilia Herrero and Ludovic Berthier

Phys. Rev. Lett. 132, 258201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.258201

Digregorio等人确定了活性应力如何全局影响混沌流下三维活性向列相液晶的向错线形态。得益于基于局部向列取向的缺陷检测算法，作者表明活动在小缺陷环的尺寸和分形维数为2的长而缠结的缺陷线的尺寸之间选择了一个交叉长度尺度。这种长度尺度交叉与缺陷间平均间隔随活性变化的标度一致。此外，基于三维周期几何中的数值模拟，作者展示了规则缺陷环网络的存在，该网络可收缩到3环面上，始终与包裹缺陷线共存。虽然规则缺陷的长度与新出现的活性长度尺度成线性关系，但它验证了包裹缺陷的二次反比依赖性。活性长度尺度越短，缺陷线缠绕周期边界的次数就越多，从而导致极长且弯曲的结构。

Coexistence of Defect Morphologies in Three-Dimensional Active Nematics

Pasquale Digregorio, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 258301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.258301

END