PRL导读-2024年133卷10期

f-求和规则设定了量子多体系统对外部探针的响应一般性约束，并在各种光谱测量领域具有重要意义。在实际情况下，系统不可避免地与环境耦合并获得有效的耗散。在这篇快报中，作者推导并证明了耗散系统的一组f-求和规则。在线性响应理论的框架内，作者得到了探测场和耗散参数的线性阶系统响应。作者制定并证明了一个一阶和两个二阶耗散f-求和规则。这些规则在一些示例模型中进行了数值验证，并提出了实现方案。此外，还讨论了两个相互作用的多体系统的潜在应用。

（刘承葛）

𝑓-Sum Rules for Dissipative Systems

X.-X. Yang, B.-H. Wu, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 100401 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.100401

作者研究了在分离二维J-Q₃模型的Néel反铁磁和价键固态的假定解精细临界点处具有光滑边界的Rényi纠缠熵的标度行为。作者观察到一个子对数项，其系数表示存在四种戈德斯通模式，表示在转变点存在SO(5)对称性，在热力学极限下自发地分解为O(4)对称。这一结果支持了SO(5)对称性出现在转变点的猜想，但揭示了转变是弱一阶的。通过这篇快报，作者展示了一种检测涌现连续对称性的新方法，更重要的是，有效地识别弱一阶相变，这对传统方法来说是一个众所周知的挑战。

（刘承葛）

Diagnosing Quantum Phase Transition Order and Deconfined Criticality via Entanglement Entropy

Zehui Deng, Lu Liu, Wenan Guo, and Hai-Qing Lin

Phys. Rev. Lett. 133, 100402 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.100402

对于具有短程相互作用的多粒子系统，局部（同一点）粒子-粒子对关联函数表示一个可以使用Hellmann-Feynman定理计算的热力学量。在此，作者利用这一性质推导了局部对关联与一维超冷玻色气体熵之间的热力学麦克斯韦关系。为了展示这一麦克斯韦关系的实用性，作者将其应用于随机投影Gross-Pitaevskii方程的计算方法，通过原子-原子对关联函数确定有限温度下一维玻色气体的熵。在随机投影Gross-Pitaevskii方程及其他方法下，这样的关联函数相对容易进行数值计算，而熵本身的计算则较为复杂。作者的计算可以被视为数值实验，作为通过测量原子-原子关联来推导量子气体熵的实验方法的原理验证。

（张皓玥）

Maxwell Relation between Entropy and Atom-Atom Pair Correlation

R. S. Watson, C. Coleman, and K. V. Kheruntsyan

Phys. Rev. Lett. 133, 100403 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.100403

作者提出了一些技术，用于在有限能量的Gottesman-Kitaev-Preskill编码上执行双量子比特门操作，并发现为理想的无限能量编码设计的操作在应用于物理真实的态时会产生不需要的纠缠。作者证明了使用最近开发的局部纠错协议可以减轻这一问题，并评估了其性能。作者还提出了节能的有限能量门实现方案，这在很大程度上避免了进一步纠错的需求。

（张皓玥）

Two-Qubit Operations for Finite-Energy Gottesman-Kitaev-Preskill Encodings

I. Rojkov, P. M. Röggla, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 100601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.100601

[Featured in Physics] 对LIGO探测器数据的分析对叫做标量场暗物质的波状暗物质施加了新的限制。

作者报告了使用LIGO第三次观测运行期间的数据直接寻找标量场暗物质的结果。作者分析了可能由标量场暗物质导致的干涉器分束仪尺寸振荡与臂试探质量间的耦合。通过使用新的高效搜寻方法来最大化此类振荡信号的灵敏度，作者对标量场暗物质的耦合常数（作为质量的函数）得到了新的上限，此结果相较之前直接搜寻的结果在10~180Hz的频带上提高了至多4个数量级。

Searching for Scalar Field Dark Matter with LIGO

Alexandre S. Göttel, Aldo Ejlli and et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 101001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.101001

若暗物质（DM）同时由原初黑洞（PBH）与粒子组成，PBH一般会嵌入粒子DM晕中。与PBH相比，此类“修饰 PBH”（dBPH）受到修正的约束，而且会在10^-1-10²M_⊙的质量范围内显著贡献DM丰度。作者表明来自双星合并的啁啾引力波的衍射透镜能够发现且识别dPBH透镜，并能够以事件为基础将其与裸PBH分开，有确定次主导PBH与粒子DM共存性的可能性。

Coexistence Test of Primordial Black Holes and Particle Dark Matter from Diffractive Lensing

Han Gil Choi, Sunghoon Jung and et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 101002 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.101002

[编辑推荐]精确的 Bethe 拟设方法显示，在高密度下，1+1 维的 Gross-Neveu 模型中存在晶体相，这超越了平均场近似。

预计二维 Gross-Neveu 模型在高重子电荷密度下会经历晶体相变。这一结论是从与 Peierls 不稳定性模型密切相似的平均场近似中得出的。作者证明，当对称群的秩和对重子密度有贡献的粒子表现的维数很大时（大 𝑁 极限），这种相变确实会发生。通过模型的精确解，作者推导出了这一结果，发展了 Bethe 拟设的大 𝑁 极限。作者对 Bethe 方程的大 𝑁 解的解析构建与平均场分析的Korteweg–de Vries (KdV) 的周期性（有限间隙）解完全一致。

Peierls Transition in Gross-Neveu Model from Bethe Ansatz

Valdemar Melin, Yuta Sekiguchi, Paul Wiegmann, and Konstantin Zarembo

Phys. Rev. Lett. 133, 101601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.101601

本文展示了使用ATLAS探测器记录的126至140 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，在能量为13 TeV的条件下，对希格斯玻色子对产生的搜索结果。在95%置信水平（CL）下，产生率的上限是标准模型（SM）预测的2.9倍，假设没有希格斯玻色子对产生的情况下，预期上限为2.4。对希格斯玻色子自耦合修正因子κ_λ = λ_HHH/λ_HHH^SM和四次HHVV耦合修正因子κ_2V = g_HHVV/g_HHVV^SM的约束是分别导出的，将另一个参数固定为其SM值。观察到的95% CL区间分别是−1.2 < κ_λ < 7.2和0.6 < κ_2V < 1.5，而在标准模型情况下的预期区间分别是−1.6 < κ_λ < 7.2和0.4 < κ_2V < 1.6。对于希格斯有效场理论中的多个相互作用参数所获得的约束是迄今为止最强的，这为可能偏离SM预测提供了见解。

Combination of Searches for Higgs Boson Pair Production in 𝑝𝑝 Collisions at √𝑠=13  TeV with the ATLAS Detector

G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 101801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.101801

This Letter presents the first study of the energy dependence of diboson polarization fractions in W Z → ℓ ν ℓ ′ ℓ ′ ( ℓ , ℓ ′ = e , μ ) production. The dataset used corresponds to an integrated luminosity of 140 fb ^{− 1} of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector. Two fiducial regions with an enhanced presence of events featuring two longitudinally polarized bosons are defined. A nonzero fraction of events with two longitudinally polarized bosons is measured with an observed significance of 5.3 standard deviations in the region with 100 < p_T^Z≤ 200 GeV and 1.6 standard deviations in the region with p_T^Z> 200 GeV , where p_T^Z is the transverse momentum of the Z boson. This Letter also reports the first study of the radiation-amplitude-zero effect. Events with two transversely polarized bosons are analyzed for the Δ Y ( ℓ_W Z ) and Δ Y ( W Z ) distributions defined respectively as the rapidity difference between the lepton from the W boson decay and the Z boson and the rapidity difference between the W boson and the Z boson. Significant suppression of events near zero is observed in both distributions. Unfolded Δ Y ( ℓ_W Z ) and Δ Y ( W Z ) distributions are also measured and compared to theoretical predictions.

Studies of the Energy Dependence of Diboson Polarization Fractions and the Radiation-Amplitude-Zero Effect in 𝑊𝑍 Production with the ATLAS Detector

G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 101802 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.101802

A measurement of time-dependent CP violation in 𝐷⁰→𝜋⁺𝜋⁻𝜋⁰decays using a pp collision data sample collected by the LHCb experiment in 2012 and from 2015 to 2018, corresponding to an integrated luminosity of 7.7 fb ^{− 1}, is presented. The initial flavor of each D⁰ candidate is determined from the charge of the pion produced in the D ^* (2010) ⁺ → D ⁰ π ⁺ decay. The decay D ⁰ → K ⁻ π ⁺ π ⁰ is used as a control channel to validate the measurement procedure. The gradient of the time-dependent C P asymmetry Δ Y in 𝐷⁰→𝜋⁺𝜋⁻𝜋⁰decays is measured to be Δ Y = ( − 1.3 ± 6.3 ± 2.4 ) × 10⁻⁴ , where the first uncertainty is statistical and the second is systematic, which is compatible with C P conservation.

Search for Time-Dependent 𝐶𝑃 Violation in 𝐷⁰→𝜋⁺𝜋⁻𝜋⁰ Decays

R. Aaij et al. (LHCb Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 101803 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.101803

作者给出了使用包含772×10⁶  事例的711fb⁻¹数据样本，搜寻b→ 𝑑ℓ⁺ℓ⁻变味中性流过程稀有衰变 B^+,0→(η,ω,π^+,0,ρ^+,0)e⁺e^-和B^+,0→(η,ω,π⁰,ρ⁺)μ⁺μ^-的结果。数据是在KEKB的e⁺e⁻非对称能量对撞机的ϒ(4S)共振处用Belle探测器收集的。作者发现没有信号的证据，并在90%置信水平下在分支比范围(3.8–47)×10⁻⁸内设置了上限，具体上限取决于衰变通道。获得的限制是世界上最好的结果。这是对衰变道B^+,0→(η,ω,π^+,0,ρ^+,0)e⁺e^-和B^+,0→(η,ω,π⁰,ρ⁺)μ⁺μ^-的首次搜索。

Search for Rare 𝑏→𝑑ℓ⁺ℓ⁻ Transitions at Belle

Adachi et al. (Belle and Belle II Collaborations)

Phys. Rev. Lett. 133, 101804 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.101804

作者报道了对PandaX-4T液态氙实验中宇宙射线加速的亚MeV暗物质（DM）与电子弹性散射的首次搜索。次兆电子伏特暗物质粒子可以通过与宇宙射线中的电子散射而加速，并在探测器中产生可检测的电子反冲信号。利用PandaX-4T的 0.63 吨·年曝光的调试数据，作者对从 10 eV/ c² 到 keV/c² 范围内的DM质量设置了新的DM-电子散射截面约束。

Search for Cosmic-Ray Boosted Sub-MeV Dark-Matter–Electron Scattering in PandaX-4T

Xiaofeng Shang et al. (PandaX Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 101805 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.101805

强子共振是从强相互作用中产生的，蕴含了夸克和胶子的动力学。这些共振态的结构可以通过在跃迁形状因子中参数化的虚光子探测。在这项研究中，利用质心能量从πN阈到1.8 GeV，光子虚度为0≤Q²/GeV²≤8的数据，提取了奇点处的十二个N*和Δ的跃迁形状因子。这些结果是首次通过同时分析∼10⁵个πN、ηN和KΛ电子生产数据来确定的。此外，约5×10⁴个强子和光生产数据被用作边界条件。对于Δ(1232)和N(1440)态，作者的结果与先前的研究在定性上一致，而一些更高激发态的跃迁形状因子的奇点首次被估算了出来。可以通过进一步探索参数空间来确定真实的不确定性。

Global Data-Driven Determination of Baryon Transition Form Factors

Yu-Fei Wang, et al., (Jülich-Bonn-Washington Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 101901 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.101901

The J / ψ , ψ(3686) →    processes and subsequent decays are studied using the world’s largest J/ψ and ψ(3686) data samples collected with the BESIII detector. The parity-violating decay parameters of the decays    →    and    →    ,    = − 0.0017 ± 0.0021 ± 0.0018 and    = 0.0021 ± 0.0020 ± 0.0022 , are measured for the first time. The strong C P symmetry is tested in the decays of the    hyperons for the first time by measuring the asymmetry    =    +   =(0.4 ± 2.9 ± 1.3)×10^{− 3} . The weak CP test is performed in the subsequent decays of their daughter particles    and    . Also for the first time, the transverse polarizations of the    hyperons in J / ψ and ψ(3686) decays are observed with opposite directions, and the ratios between the S -wave and D -wave contributions of the J/ψ , ψ(3686) →    decays are obtained. These results are crucial to understand the decay dynamics of the charmonium states and the production mechanism of the    pairs.

Strong and Weak 𝐶𝑃 Tests in Sequential Decays of Polarized    Hyperons

M. Ablikim et al. (BESIII Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 101902 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.101902

New results are presented on a high-statistics measurement of Collins and Sivers asymmetries of charged hadrons produced in deep inelastic scattering of muons on a transversely polarized ⁶LiD  target. The data were taken in 2022 with the COMPASS spectrometer using the 160 GeV muon beam at CERN, statistically balancing the existing data on transversely polarized proton targets. The first results from about two-thirds of the new data have total uncertainties smaller by up to a factor of three compared to the previous deuteron measurements. Using all the COMPASS proton and deuteron results, both the transversity and the Sivers distribution functions of the u and d quark, as well as the tensor charge in the measured x range are extracted. In particular, the accuracy of the d quark results is significantly improved.

High-Statistics Measurement of Collins and Sivers Asymmetries for Transversely Polarized Deuterons

G. D. Alexeev et al. (COMPASS Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 101903 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.101903

[编辑推荐]二元偶极超固体在线性晶体几何中的激发谱揭示了三种 Goldstone 模式。

作者预测了线性晶体几何学中二元偶极超固体丰富的激发谱，其中基态由具有交替互锁域的两个部分混溶的成分组成。作者确定了三个 Goldstone 分支，每个分支都具有第一声、第二声或自旋声特征。与双原子晶体类似，得到的晶格具有双域基元，作者发现晶体（类第一声）分支分成光学声子和声学声子。作者还发现了一个与超固体调制幅度相关的 spin-Higgs 分支。

Excitations of a Binary Dipolar Supersolid

W. Kirkby, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 103401 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.103401

光量子态的相干操纵是光子量子信息处理的关键。在这篇文章中，作者证明了一个被动的两能级非线性足以在传播的场模式上实现非高斯量子运算。特别是，集体光-物质相互作用可以有效地将单个光子从多光子输入波包提取到正交时间模式。作者用直观的量子轨迹模型的元素准确地描述了单光子减法过程。通过采用此过程，量子信息协议的效率比线性光学的预示方案高出几个数量级。逆过程可以将光子逐个添加到单个波包模式中，组成任意大的Fock态，有限总成功率大于96.7%。

Subtraction and Addition of Propagating Photons by Two-Level Emitters

Mads M. Lund, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 103601 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.103601

在足够强大的泵浦激光器驱动下，腔光机械系统将稳定在其腔场和机械谐振腔的耦合振荡中。通常假设进一步增强驱动激光，振荡会不断放大。然而，基于系统的非线性动力学，作者发现，特别是在机械谐振器固有频率的蓝色失谐点附近运行时，系统的动力学行为比这种直观的图像要复杂得多。存在一种异常稳定的现象：根据其固有阻尼率和泵浦功率，机械谐振器稳定地停留在一个接一个的振荡轨道上，直到它完全稳定在它能到达的最终轨道上。在泵浦功率变得更高后可以实现这些轨道与几乎固定振幅的锁定轨道一致。由于光弹簧效应，振荡腔场随着机械频率漂移调整自身的边带，因此一旦泵浦功率超过阈值，它总是驱动机械谐振器靠近锁定轨道。在腔场边带和机械振荡相关的区间里，系统的动力学吸引子被限制在锁定的轨道上，混沌运动也排除在外。

Highly Correlated Optomechanical Oscillations Manifested by an Anomalous Stabilization

Jinlian Zhang, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 103602 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.103602

相干完全吸收(CPA) 是一种与散射矩阵的零点相关的干涉过程，适用于光学计算、数据处理和传感等领域。然而，CPA 的噪声特性仍是相对未知的。在这里，作者证明了 CPA 热噪声信号表现出一个独特的性质：它们与通过网络传输的信号正交。由此，这种性质实现了各种热噪声管理效果，例如热噪声和传输信号的物理可分性，以及内部托管辐射传热过程的“外部无损”网络。作者相信该研究结果为目前正在开发的许多 CPA 技术提供了新的视角。

Orthogonal Thermal Noise and Transmission Signals: A New Coherent Perfect Absorption’s Feature

Douglas Oña, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 103801 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.103801

关于体相纳米气泡稳定性的共识仍然难以捉摸，尽管有间接证据表明其寿命较长。我们通过结合热毛细波理论发展了一个纳米气泡演化模型，揭示了由声波空化产生的密集纳米气泡倾向于收缩并加强界面热涨落；这显著降低了表面张力，以中和增强的拉普拉斯压力，并确保它们在有限大小下稳定。出现了一个稳定性标准：热涨落强度与曲率的超线性尺度关系式。该模型将纳米气泡收缩的时间框架延长了两个数量级，超过了经典理论估计，并在实验范围内捕获了平衡半径（90–215纳米）。

（邱仲普）

Interfacial Thermal Fluctuations Stabilize Bulk Nanobubbles

Yuyu Chen, Yue Hu, Benlong Wang, Xuesen Chu, and Lu-Wen Zhang

Phys. Rev. Lett. 133, 104001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.104001

García-Regaña等人系统研究了杂质对仿星器W7-X湍流热通量的影响，并与大型螺旋装置（LHD）和国际热核聚变实验堆（ITER）进行了对比。非线性多组分回旋动理学模拟表明，根据杂质密度梯度的正负，其可以显著增强或抑制湍流引起的离子热损失。对于湍流抑制的相关情况，一个普遍特征是存在使离子热扩散率最小的最优杂质浓度。这一结果证明了杂质在聚变等离子体中，特别是在W7-X中，控制湍流和获得增强约束机制的潜力。

（杨宁）

Reduction or enhancement of stellarator turbulence by impurities

J. M. García-Regaña et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 105101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.105101

[Editors’ Suggestion] Experimentally observed plasma-liquid interface pattern oscillations are caused by resonances with capillary waves and represent a new class of liquid surface waves, whose behavior is unaffected by surface tension and dictated entirely by electrohydrodynamic interactions.

Oles Dubrovski等人发现了一类新的表面波，由于离散等离子体模式与连续界面液体表面波模式之间的共振耦合，该类波产生于等离子体与液体的分界面。等离子体的局部激发会选择一种波模，当不同位置激发的波相互作用时就会产生驻波。这些波传播的相速度比传统的毛细波要慢，但他们都表现出与液体粘度相关的相同阻尼行为。表面张力对此似乎不起重要作用。为此Oles Dubrovski等人提出了一种曲率依赖的麦克斯韦压力机制，以解释这些在有等离子体存在情况下产生的非色散界面波。

（王俊伟）

Noncapillary Wave Dynamics due to Interfacial Coupling with Plasma Patterns at a Liquid Surface

Oles Dubrovski et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 105301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.105301

[Featured in Physics][编辑推荐]研究者分离出了约瑟夫森结行为中的一个高阶项，这可能会带来寿命更长的超导量子比特。

在约瑟夫森结中，电流相位关系将通过弱链接连接的两条超导导线之间的超导序参量φ的相位变化与无耗散电流联系起来。这一关系就是结的指纹。它通常由sin(φ)谐波主导，然而，要设计出具有定制特性的超导量子电路，就必须精确了解它。在本工作中，Messelot等直接测量了使用可栅极调谐石墨烯约瑟夫森结制造的超导量子干涉器件的电流相位关系，并表明它可以表现为sin(2φ)约瑟夫森元件，而不受传统上占主导地位的sin(φ)谐波的影响。这种元件将有助于开发不受退相干影响的超导量子比特。

（冯盼君）

Direct Measurement of a sin(2φ) Current Phase Relation in a Graphene Superconducting Quantum Interference Device

Simon Messelot et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106001

拓扑表面态是拓扑材料所独有的，并且不受干扰。在等静态晶格中，机械拓扑软模表现出的软性取决于相对于终止表面的极化。然而，在三维空间中，拓扑软模的极化会受到无处不在的机械外尔节线的干扰。在这里，Tang等从理论和实验两方面表明没有外尔节线的完全极化拓扑机械相。软模只出现在三维等静态结构的特定表面上，从而导致对立边界之间的刚度极不对称。此外，均匀的软应变可将晶格构型可逆地转变为外尔相，从而将刚度对比转换为微不足道的可比水平。该工作展示了三维空间中完全极化的拓扑机械相，并为软性自适应超材料的工程化铺平了道路。

（冯盼君）

Fully Polarized Topological Isostatic Metamaterials in Three Dimensions

Zheng Tang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106101

In the 2–10 GPa pressure range, ammonia hemihydrate H₂O:(NH₃)₂(AHH) is a molecular solid in which intermolecular interactions are ruled by distinct types of hydrogen bonds. Upon heating, the low-temperature ordered P2₁/c crystal (AHH-II) transits to a bcc phase (AHH-p bcc) where each site is randomly occupied by water or ammonia. In addition to the site disorder, experiments suggest that AHH-p bcc is a plastic solid, but the physical origin and mechanisms at play for the rotational and site disordering remain unknown. Using large-scale (~10⁵ atoms) and long-time (>10 ns) simulations, we show that, as temperature rises above the transition line, orientational disorder sets in, breaking the strongest hydrogen bonds that provide the largest contribution to the cohesion of the ordered AHH-II phase and enabling the molecules to migrate from a crystal site to a neighboring one. This generates a plastic molecular alloy with site disorder while the solid state is overall maintained until melting at a higher temperature. The case of high (P,T) plastic ammonia hemihydrate can be extended to other water-ammonia alloys where a similar interplay between distinct hydrogen bonds occurs.

Orientational Disorder Drives Site Disorder in Plastic Ammonia Hemihydrate

Niccolò Avallone et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106102 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106102

On the basis of molecular dynamics simulations of water and ethanol in nanopores, we devise a methodology to determine the free-energy landscape (FEL) imposed by an interface on an adjoining liquid directly from the particle trajectories. The methodology merely uses the statistical mechanical relation between occupancy and energy and, hence, is particularly suitable in complex situations, e.g., for disordered or rough atomistic interfaces and molecular liquids, as encountered in many biological, geological, and technological situations. Moreover, we show that the thus-obtained FEL enables a quantitative understanding of interface effects on liquid dynamics. Specifically, by determining the local minima and barriers of the FEL and using an Arrhenius-like relation, we reproduce the very strong spatial variation of the structural relaxation time of water and ethanol across nanopores over a broad temperature range. We anticipate that the proposed FEL approach is transferable to various other liquids and interfaces.

Quantitative Understanding of Liquid Dynamics at Interfaces from a Free-Energy Landscape Perspective

Simon Hefner et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106201

The classical Hertzian contact model establishes a monotonic correlation between contact force and area. Here, we showed that the interplay between local friction and structural instability can deliberately lead to unconventional contact behavior when a soft elastic shell comes into contact with a flat surface. The deviation from Hertzian solution first arises from bending within the contact area, followed by the second transition induced by buckling, resulting in a notable decrease in the contact area despite increased contact force. Additionally, our results invalidated a previous claim of a linear relation between friction and dissipated energy, demonstrating the suppression of both buckling and dissipation at high friction levels. Different contact regimes are discussed in terms of rolling and sliding mechanisms, providing insights for tailoring contact behaviors in soft shells.

Frictional Contact of Soft Polymeric Shells

Riad Sahli et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106202 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106202

Appropriate symmetry breaking generates an anomalous Hall (AH) effect, even in antiferromagnetic (AFM) materials. Itinerant magnets with d electrons are typical examples that show a significant response. By contrast, the process by which a response emerges from f-electron AFM structures remains unclear. In this Letter, we show that an AFM material, Ce₂CuGe₆, yields a large AH conductivity (AHC) of 550 Ω⁻¹cm⁻¹, which exceeds the values previously reported in d-electron AFM materials. Observed features, including the scaling relation against electrical conductivity, suggest that this AH transport is induced cooperatively by both intrinsic and extrinsic mechanisms derived from the AFM structure.

Large Anomalous Hall Conductivity Derived from an f-Electron Collinear Antiferromagnetic Structure

Hisashi Kotegawa et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106301

了解非中心对称材料中的电子-声子耦合对于控制引起Rashba相互作用的内部场至关重要。Qu等利用时间和角分辨光电子能谱(trARPES)研究了极性半导体BiTeCl表面和体区的相干声子。与第一性原理计算相结合，他们的测量结果揭示了面外A₁模式和面内E₂模式的耦合。通过考虑这些模式如何调控每个原胞内的电偶极矩，他们表明极性A₁模式在金属表面区域可以被更有效地筛选，而非极性E₂模式则在两个区域都是可以耦合的。除了为光学操控Rashba相互作用提供策略外，此工作对具有非均匀介电环境为特征的系统中电子-声子耦合的行为具有更广泛的意义。

(冯盼君）

Screening of Polar Electron-Phonon Interactions near the Surface of the Rashba Semiconductor BiTeCl

J. Qu et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106401

Classical spin liquids (CSLs) have proved to be a fruitful setting for the emergence of exotic gauge theories. Vacancy clusters in CSLs can introduce gauge charges into the system, and the resulting behavior in turn reveals the nature of the underlying theory. We study these effects for a series of CSLs on the honeycomb lattice. We find that dilution leads to the emergence of effective free spins with tuneable, and generally irrational, size. For a specific higher-rank CSL, described by a symmetric tensor gauge fields, dilution produces nondecaying spin textures with a characteristic quadrupolar angular structure and infinite-ranged interactions between dilution clusters.

Irrational Moments and Signatures of Higher-Rank Gauge Theories in Diluted Classical Spin Liquids

R. Flores-Calderón et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106501

最近有研究报道在转角MoTe₂双分子层中，空穴填充n=3时出现分数量子自旋霍尔(FQSH)态的实验特征。以前的FQSH相理论简单地认为分数量子霍尔相及其时间反演伙伴是一对解耦的。在这里，Zhang等首次展示了解耦图像之外的FQSH相的构造。他们考虑了两个谷中一对半填充的C=±1陈能带，类似于研究得很透彻的量子霍尔双层，但现在具有相反的手性。由于谷间排斥很强，预计在中性谷间激子主导的低能物理作用下会出现电荷间隙。然而，由于存在有效的“通量”，激子凝聚因涡旋的激增而受挫。在这里，他们构建了一种被称为涡旋自旋液体的激子涡旋液体，它是由解耦合复合费米液体相中复合费米子的激子配对形成的。这种绝缘体是一种量子自旋液体，具有由涌现的U(1)规范场通量携带的无间隙自旋激发。此外，还存在由邻近间隔相干阶的费米旋涡形成的中性和无自旋费米面。与传统的莫特绝缘体不同，涡旋自旋液相还表现出量子化的FQSH效应，其边缘具有无间隙螺旋电荷模式。他们的研究工作表明了非平庸FQSH相的可能性，并为在未来的实验中探测它们提供了预测。

（冯盼君）

Vortex Spin Liquid with Fractional Quantum Spin Hall Effect in Moiré Chern Bands

Ya-Hui Zhang

Phys. Rev. Lett. 133, 106502 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106502

对称性和量子反常现象是约束复杂量子多体系统的有力工具，为基于其紫外结构的低能特性提供有价值的见解。然而，他们的适用性传统上仅限于封闭量子系统，对于密度矩阵描述的开放量子系统，它们在很大程度上尚未被探索。在这个工作中，Zang等介绍了一种新颖的、实验上可行的方法来探测开放系统中的量子反常现象。具体来说，他们表明，当与外部环境耦合时，自旋旋转对称性和晶格平移对称性之间的混合 't Hooft 反常现象会在测量exp(iθS^z_tot)作为θ的函数时为半整数和整数自旋链提供独特的特征。值得注意的是，半整数自旋链表现出类似于在封闭系统中观察到的 “水平交叉”的拓扑现象。为了证实这个论断，他们开发了一种晶格级时空旋转来分析上述测量结果。基于矩阵乘积密度算子和转移矩阵形式，他们解析上确定并从数值上证明了半整数自旋链不可避免的exp(iθS^z_tot)奇异行为。从概念上讲，该工作展示了在不一定有哈密顿量的开放系统中讨论“谱流”和“通量线程”等概念的方法。

（冯盼君）

Detecting Quantum Anomalies in Open Systems

Yunlong Zang, Yingfei Gu, and Shenghan Jiang

Phys. Rev. Lett. 133, 106503 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106503

Studies on the heavy-fermion pyrochlore iridate (Pr₂Ir₂O₇) point to the role of time-reversal-symmetry breaking in geometrically frustrated Kondo lattices. Here, we address the effect of Kondo coupling and chiral spin liquids in a 𝐽₁−𝐽₂ model on a square lattice and a model on a kagome lattice via a large-𝑁 method, based on a fermionic representation of the spin operators, and consider a new mechanism for anomalous Hall effect for the chiral phases. We calculate the anomalous Hall response for the chiral states of both the Kondo destroyed and Kondo screened phases. Across the quantum critical point, the anomalous Hall coefficient jumps when a sudden reconstruction of Fermi surfaces occurs. We discuss the implications of our results for the heavy-fermion pyrochlore iridate and propose an interface structure based on Kondo insulators to explore such effects further.

Anomalous Hall Effect and Quantum Criticality in Geometrically Frustrated Heavy Fermion Metals

W. Ding, S. Grefe, S. Paschen, and Q. Si

Phys. Rev. Lett. 133, 106504 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.106504

[编辑推荐]本文提出的异质结利用交变磁性实现了净磁矩为0的一阶和二阶拓扑超导。

Ghorashi 等提出了一种通过交变磁性来实现净磁矩为0的一阶和二阶拓扑超导的异质结。该平台与传统的均匀磁化平台相比可能会有重大改进，因为后者会抑制超导能隙。他们首次引入了一种临近于交变磁体的一维半导体-超导体结构，它可以实现净磁矩消失的末端马约拉纳零模（MZMs）。此外，Zeeman项的共存为区分拓扑零模和平庸零模提供了一个调谐旋钮。随后，他们提出了可实现手性马约拉纳费米子或高阶角MZM的二维交变磁体平台。该工作为实现马约拉纳边界态铺平了道路，为时间反演破缺和零净磁矩提供了另一种来源。

（冯盼君）

Altermagnetic Routes to Majorana Modes in Zero Net Magnetization

Sayed Ali Akbar Ghorashi el al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106601

[编辑推荐]交变磁体中非线性响应的研究揭示了量子几何有序的作用。

量子几何在PT对称反铁磁体的二阶响应中起着关键作用。在这里，Fang 等研究了受C_nT对称性保护的二维交变磁体的非线性响应，结果表明它们的主要非线性响应是三阶响应。此外，他们表明量子度规和贝里曲率的贡献是相互独立的：所有平面交变磁体的纵向响应只有量子度规四极（QMQ）的贡献，而横向响应一般有贝里曲率四极（BCQ）和QMQ的贡献。以众所周知的d波交变磁体为例，他们发现BCQ 主导了霍尔响应。纵向和横向响应都与晶体各向异性密切相关。虽然交变磁体是在自旋轨道耦合（SOC）消失的极限下严格定义的，但真实的交错磁体却表现出弱SOC，这对于观察这种响应至关重要。具体来说，自旋轨道耦合会使自旋群保护的节点线打开带隙，从而产生一个响应峰值，该峰值在自旋轨道耦合较弱时最为尖锐。两个狄拉克节点也也对非线性响应产生了发散作用，其尺度随SOC的变化而变化。最后，他们将研究结果应用于三维交变磁体RuO₂的薄膜。该研究揭示了交变磁体在非线性传输中的独特特征，提供了实验特征，并为厘清其量子几何的不同组成部分提供了指导。

（冯盼君）

Quantum Geometry Induced Nonlinear Transport in Altermagnets

Yuan Fang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106701 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106701

Defects have a significant influence on the polarization and electromechanical properties of ferroelectric materials. Statistically, they can be seen as random pinning centers acting on an elastic manifold, slowing domain-wall propagation and raising the energy required to switch polarization. Here we show that the “dressing” of defects can lead to unprecedented control of domain-wall dynamics. We engineer defects of two different dimensionalities in ferroelectric oxide thin films—point defects externally induced via He²⁺ bombardment, and extended quasi-one-dimensional a domains formed in response to internal strains. The a domains act as extended strong pinning sites (as expected) imposing highly localized directional constraints. Surprisingly, the induced point defects in the He²⁺ bombarded samples orient and align to impose further directional pinning, screening the effect of a domains. This defect interplay produces more uniform and predictable domain-wall dynamics. Such engineered interactions between defects are crucial for advancements in ferroelectric devices.

Interplay between Point and Extended Defects and Their Effects on Jerky Domain-Wall Motion in Ferroelectric Thin Films

Ralph Bulanadi et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106801

Confinement is a pivotal phenomenon in numerous models of high-energy and statistical physics. In this study, we investigate the emergence of confined meson excitations within a one-dimensional system, comprising Rydberg-dressed atoms trapped and coupled to a cavity field. This system can be effectively represented by an Ising-Dicke Hamiltonian model. The observed ground-state phase diagram reveals a first-order transition from a ferromagnetic-subradiant phase to a paramagnetic-superradiant phase. Notably, a quench near the transition point within the ferromagnetic-subradiant phase induces meson oscillations in the spins and leads to the creation of squeezed-vacuum light states. We suggest a method for the photonic characterization of these confined excitations, utilizing homodyne detection and single-site imaging techniques to observe the localized particles. The methodologies and results detailed in this Letter are feasible for implementation on existing cavity-QED platforms, employing Rydberg-atom arrays in deep optical lattices or optical tweezers.

Confined Meson Excitations in Rydberg-Atom Arrays Coupled to a Cavity Field

Tharnier O. Puel et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106901 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106901

[Featured in Physics] [编辑推荐]研究者使用超短激光脉冲在几飞秒时间尺度上触发自旋齐向的电子流，为实现更快的自旋电子器件开辟了一条可能的途径。

Géneaux 等测量了由Co和Pt交替薄层组成的磁性多层结构在几飞秒时间尺度上的光驱动响应。利用阿秒磁圆二色性，他们观察了光在激发过程中和激发后如何重新排列磁矩。结果显示，Pt层的磁化峰值在5fs以下，与驱动脉冲的形状一致。在含时密度泛函理论的帮助下，他们将观测结果解释为光驱动的自旋注入穿过结构的金属层。光触发的自旋电流非常短，在很大程度上超过了退相干和去相干。研究结果表明，以精细方式塑造光场的能力可以转化为在材料中塑造新形式的自旋电流。

（冯盼君）

Spin Dynamics across Metallic Layers on the Few-Femtosecond Timescale

Romain Géneaux et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 106902 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.106902

单列扩散是布朗胶体粒子在一维窄通道中输运(如在某些多孔介质)的典型模型，粒子在通道内不能相互交叉。Sorkin等人考虑原点左右两侧存在不同均匀外势的系统。例如，当两个在原点相交的通道具有不同的半径时。在平衡状态下，粒子的化学势相等，因此在势较高的区域密度较低，从本质上来讲，系统中不存在净流。值得注意的是，一个初始位于原点的单列示踪粒子，其位置记为Y(t)，表现为向最高势区域的平均'上坡'漂移。这种漂移具有晚期行为<Y(t)>=Ct^1/4，其中前因子C取决于初始粒子排列。该结果是通过简单而又具有物理启发性的方法大量数值模拟计算Y(t)的前两阶矩得到的。

Uphill Drift in the Absence of Current in Single-File Diffusion

Benjamin Sorkin and David S. Dean

Phys. Rev. Lett. 133, 107101 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.107101

作为铁磁体最简模型，经典的朗道-利夫希兹方程(Landau - Lifshitz equation)为研究输运现象提供了一个典型例子。在单空间维度上，可积性可以实现线性和非线性模式谱的分类。尽管如此，对有限温度热力学和输运的精确描述尚未可知。Bastianello等人从相互作用模式的角度给出了热力学平衡态的精确描述。这是在热力学贝特拟设描述的水平上，通过可积量子自旋- 𝑆各向异性海森堡链的半经典极限来反演经典朗道-利夫希兹模型(Landau-Lifschitz model)实现的。在轴向区域，模式谱包含具有非传统统计的孤子，而在平面区域，作者发现了另外两种类型的模式，即辐射型和孤子型。该框架使得非常规输运性质的分析研究成为可能：例如，作者研究了有限温度自旋德鲁德(Drude)权重，发现与蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟非常吻合。

Landau-Lifschitz Magnets: Exact Thermodynamics and Transport

Alvise Bastianello et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 107102 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.107102

马尔可夫跳跃过程的非平衡稳态描述了大量现象，理解其对外部扰动的响应具有重要的意义。Aslyamov等人考虑一个依赖于各种控制参数的速率矩阵所描述的图上马尔可夫跳跃过程。作者推导了边缘流静态响应和稳态概率的显式表达式。通过推导响应关系(连接不同响应的线性约束)和拓扑依赖界，表明它们受到图拓扑(关联矩阵)的约束。对于单环网络，全尺度流响应都介于0和1之间，且和必须为1。将这些结果应用到随机热力学中，作者得到了基波流(进行充分的耗散)对基波热力学力(使系统远离平衡态)静态响应的显式表达式。

General Theory of Static Response for Markov Jump Processes

Timur Aslyamov and Massimiliano Esposito

Phys. Rev. Lett. 133, 107103 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.107103

[Featured in Physics] [编辑推荐]机器学习的巧妙使用引导研究人员去寻找缺失项，以准确地描述复杂流体系统动力学。

物理建模的目标是建立一套能够预测和解释实验中观察到的行为的规则。Colen等人提出了一种数据驱动的模型构建方法，该方法结合了可解释的机器学习、水力学理论和微观模型。目的是揭示控制非线性动力学实验的潜在过程。作者以微流控实验中的数据为例说明作者的方法，其中流动液滴的晶体支持无源晶体(passive crystal)中没有的非线性波的传播。通过将物理启发的神经网络(称为神经算子)与符号回归工具相结合，作者推导出了一个精确建模实验数据的非线性动力系统的解以及数学形式。最后，从基本的物理原理解释了这个连续介质模型。受机器学习的启发，作者粗粒化了相互作用液滴的微观模型，发现非互易的水力相互作用稳定并促进了非线性波的传播。

Interpreting Neural Operators: How Nonlinear Waves Propagate in Nonreciprocal Solids

Jonathan Colen et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 107301 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.107301

虽然已知高阶相互作用会影响动力学过程的典型状态，导致新的集体行为，但它们如何驱动稀有事件和涨落的出现仍是一个开放问题。Gaetano等人研究了探索高阶网络随机游走的动力学量涨落是如何随时间产生的。在超图结构固定的淬火情况下，作者通过大偏差理论证明了稀有事件的出现在具有许多高阶相互作用的节点中受到阻碍，而在其他地方得到促进。在退火情况下，动态涨落进一步增强，其中扩散过程和高阶相互作用都随时间演化。在这里，最优高阶配置产生的极端涨落可以在鞍点近似的极限下进行预测。该研究为高阶网络中涨落和稀有事件的广泛且总体性理论奠定了基础。

Dynamical Fluctuations of Random Walks in Higher-Order Networks

Leonardo Di Gaetano et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 107401 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.107401

在过去的十年中，基于手性诱导的自旋选择性（CISS）得到了深入的研究。然而，仍然存在一些关键问题，例如 CISS 的微观机制，特别是电子垂直于手性分子螺旋轴注入的横向 CISS，实验与理论之间的定量一致性，以及在什么水平上分子手征是CISS研究的关键。在这里，Chenchen Wang等人通过对不存在任何手性物质的情况下合成导电聚苯胺螺旋纳米纤维，然后结合实验和理论解决了这些问题。对于垂直于其螺旋轴注入的电子，在左旋和右旋纳米纤维中测量大自旋极化，并且通过切换纳米纤维手性可以将其逆转。他们首先开发了一个理论模型来研究这种横向 CISS 并定量解释了该实验。结果表明，他们的理论提供了一个统一的方案来解释许多 CISS 实验，实验和数值计算之间的定量一致性可以通过弱自旋轨道耦合来实现，并且超分子手征足以在没有任何手性物质的情况下实现自旋选择性。

(张清源)

Transverse Spin Selectivity in Helical Nanofibers Prepared without Any Chiral Molecule

Chenchen Wang, Zeng-Ren Liang, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 108001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.108001

END