PRL导读-2024年133卷22期

作者提出并实验证明了一种在超导腔之间转移量子态的新协议。这种方法利用连续的双模压缩相互作用来产生纠缠，而无需交换任何载流子光子。与量子隐形传态中纠缠和贝尔态测量的离散操作相比，作者的方案是对称和连续的。作者通过实验实现了任意量子态的相干和双向传输，包括玻色子量子纠错码。作者的研究结果为量子态转移和量子隐形传态提供了新的见解。特别是，作者的演示验证了一种实现量子传感器的新方法，并可能在广泛的物理平台上得到应用。

（刘承葛）

Quantum State Transfer between Superconducting Cavities via Exchange-Free Interactions

J. Zhou, M. Li, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 220801 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.220801

Wigner函数形式在研究量子态的非经典性方面及其经典可模拟性方面发挥了关键作用。然而，由于Clifford门产生的负值性，它在量子比特系统中的应用受到限制。在这篇快报中，作者提出了一种基于框架Wigner函数的量子比特Clifford电路的经典模拟方法，框架Wigner函数是Wigner函数的扩展形式，具有额外的相位自由度。在作者的框架中，通过变换到合适的框架中Clifford门不会诱导负值性；因此，一类广泛的非稳定子态可以被正地表示。利用这种技术，作者证明了具有非稳定子态输入的Clifford电路的一些边际结果可以在多项式时间和内存成本内有效地采样。作者开发了一种图形理论方法来识别经典可模拟的边际结果，并将其应用于对数深度的随机Clifford电路。作者还提出了基于框架Wigner函数的结果概率估计方案，并讨论了其精度。作者的方法为利用准概率探索经典可模拟量子电路开辟了新的途径。

（张皓玥）

Extending Classically Simulatable Bounds of Clifford Circuits with Nonstabilizer States via Framed Wigner Functions

G. Park, H. Kwon, and H. Jeong

Phys. Rev. Lett. 133, 220601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.220601

[Featured in Physics] [Editors’ Suggestion] A new analysis of more than a decade’s worth of observations extends the spectrum of cosmic-ray electrons to unprecedented high energies.

因为能量很高的宇宙线电子与正电子（CRe）具有较快的冷却率及因之而来的有损失限制的传播距离，其可以作为局域宇宙线加速器的探针，并且对例如暗物质粒子湮灭的奇异产生机制施加约束。作者发表了用高能立体系统进行了候选事件在0.3到40TeV间CRe谱的高统计测量结果，在能量上覆盖两个数量级，且达到高于10⁴的质子排斥功率。测得的谱由一个破缺的幂律谱良好描述，破缺在1TeV附近，其中谱指数从Γ₁=3.25±0.02（stat）±0.2（sys）到Γ₂=4.49±0.04（stat）±0.2（sys）。在此破缺之外，谱是平庸的。在数个TeV能量下清晰特征的缺失为临近CRe加速器与局域CRe传播机制施加了约束。

High-Statistics Measurement of the Cosmic-Ray Electron Spectrum with H.E.S.S.

F. Aharonian et al. (H.E.S.S. Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 221001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.221001

最近的暗能量巡天第一年（DES-Y1）对星系团丰度与弱透镜的分析所产生的Ω_m和σ₈约束与Planck导出的结果存在5.6σ的矛盾。该研究表明，此矛盾受光学星系团选择中未建模的系统变量所驱动。作者提出了一个新的基于模拟向前建模框架，可以直接将星系团选择合并在模型预测中。将此框架应用于DES-Y1数据后，作者发现结果与Planck一致，可能解决了在DES-Y1分析中发现的矛盾。将此方法的扩展应用于最终DES数据，将为ΛCDM的参数施加可靠约束，且相应地对宇宙学模型有较强的检验。

Consistency of Dark Energy Survey Year 1 Galaxy Clusters with Planck

Andrés N. Salcedo, Hao-Yi Wu and et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 221002 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.221002

慢一阶相变生成大的非均匀性，这会导致原初黑洞的形成。作者表明其后的引力波会包含源自泡泡碰撞的初级部分与大扰动导致的次级部分。后者在β/H₀<12时给出主导峰，会特别地影响最近脉冲星计时阵列数据的分析。与一个特定类型原初黑洞相联系的引力波形比典型机制更强，因为此扰动具有负的非高斯性，且有易于区分的双峰波形。

Black Holes and Gravitational Waves from Slow First-Order Phase Transitions

Marek Lewicki, Piotr Toczek and Ville Vaskonen

Phys. Rev. Lett. 133, 221003 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.221003

在电子轻子数上表现出角交叉的稠密中微子是不稳定的，且会出现快速味转变。作者并未假定体系的构型从一开始就不稳定，而是设想体系受外部驱动而不稳定。作者使用最简单的模型，双中子束初始时具有不同的味，要么突然出现，要么一种或两种味会缓慢积累。味转变会在会在假设的不稳定态完全达到时开始，且终产物依赖于系统受驱动的方式。系统一般会处在与线性稳定态最接近的状态，这是作者在初次应用准线性理论时确证的结论。作者的结果表明，在天体物理环境中，应当更少关注中微子辐射场的味不稳定性，而更该关注导致不稳定态产生的外部动力学。

Fast Flavor Conversions at the Edge of Instability in a Two-Beam Model

Damiano F. G. Fiorillo, Georg G. Raffelt

Phys. Rev. Lett. 133, 221004 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.221004

假想出的轴子为暗物质提供了很有说服力的解释，且能从太阳内部放出。CERN轴子太阳望远镜通过轴子在指向太阳的9-T，10-m长磁场中向X射线的反转化搜寻来自太阳的轴子。作者报告了国际轴子观测探路者探测器延长运行的结果，将之前的曝光时间加倍。在新运行的部分时间中，探测器在氙基混合气体下运行，为未来配置提供了技术启发。在新运行期间，在95%的信号环绕区间内没有检测到信号，而预期值为0.75。新的数据将在95%的置信水平上轴子-光子耦合极限提高到5.8×10^-11GeV^-1（m_a≲0.02eV），这是迄今最严格的实验约束。

New Upper Limit on the Axion-Photon Coupling with an Extended CAST Run with a Xe-Based Micromegas Detector

K. Altenmüller and et al. (CAST Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 221005 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.221005

作者发表了最优贝叶斯场水平宇宙约束，来自宇宙大尺度结构的非线性追踪，尤其是在8（h^-1Gpc）³的共动体积下从静止系模拟的暗物质晕中导出的线性物质涨落的振幅σ₈。作者对σ₈的约束完全因为非线性信息，通过基于正演模型、左场的拉氏有效场论，对初始条件以及追踪误差和噪声参数进行直接抽样得到。与功率谱和双谱基于模拟的推断进行比较——同样用于左场正演模型——结果表明，对同一模型的同一参数，k_max=0.10h Mpc^-1（0.12h Mpc^-1），场水平方法在σ₈约束上提升3.5（5.2）倍，从20.0%到5.7%（17.0%到3.3%）。此研究给出了直接的观察：宇宙学信息编码在星系团超过低阶的n点函数中。

How Much Information Can Be Extracted from Galaxy Clustering at the Field Level?

Nhat-Minh Nguyen, Fabian Schmidt and et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 221006 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.221006

作者从世界线形式出发，导出了Kerr时空中旋转探测粒子在一阶形式下的径向作用量，专注于线性自旋效应。之后，作者发展了新的协变Dirac括号，以计算来自径向作用量的脉冲与自旋冲击，推广了文献中的一些推测结论，并且为有一般自旋取向的振幅计算导出了随时可用的表达式。在观测限制的极限下，这首次允许发现新的散射可观测量的协变表达式。最后，作者使用作用量-角度表象来计算一般约束轨道的基本频率，包含内禀自旋进动、近星点进动以及轨道平面的进动。

Scattering and Bound Observables for Spinning Particles in Kerr Spacetime with Generic Spin Orientations

Riccardo Gonzo, Canxin Shi

Phys. Rev. Lett. 133, 221401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.221401

宇宙学关联函数包含了原初宇宙波函数的极其重要的信息。本文中，作者提出了一种关联函数与波函数系数间的对偶关系，其对于圈展开的所有阶数都有效，且其自身呈现为ℤ₄对称性。为了展示这一对偶的威力，作者对关联函数的奇宇称部分导出了关联函数到关联函数的分解公式，其将n点可观测量与更低点可观测量通过图解分割关联起来。这些关系可作为物理上可以探测的剪切规则的首个例子，因其涉及对任意物理运动学都可定义的可观测量。作者进一步展示了这一对偶如何将波函数系数的宇宙光学定理翻译成关于宇宙学关联函数的表述。

There and Back Again: Mapping and Factorizing Cosmological Observables

David Stefanyszyn, Xi Tong and Yuhang Zhu

Phys. Rev. Lett. 133, 221501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.221501

通过对ATLAS和CMS实验测量的顶夸克与反顶夸克运动学质量差异的分析，作者首次提取了顶夸克部分中与𝐶𝑃𝑇破缺无模型依赖的敏感性研究结果。作者发现，与顶夸克矢量流相互作用的𝐶𝑃𝑇破缺背景场的时间分量被限制在95%的置信区间内，范围为[−0.13, 0.29]  GeV。

Probing𝐶𝑃𝑇 Invariance with Top Quarks at the LHC

A. Belyaev et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 221601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.221601

作者研究了在动力学从混沌到可积性之间的热力学相变。为此，作者分析了在极限情况下通过弦图描述的模型，这些模型可以在混沌的双重缩放Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型与可积性质的𝑝-自旋系统之间插值。作者通过对这些弦图进行粗粒化，发展了一种路径积分形式化，并利用该方法来论证系统存在两个不同的相：一个相位可以连续地与混沌系统关联，另一个则与可积系统关联。二者由一条一阶相变的相界分隔开，而这条相界终止于某一有限温度点。

From Chaos to Integrability in Double Scaled Sachdev-Ye-Kitaev Model via a Chord Path Integral

Micha Berkooz, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 221602 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.221602

来自LUX-ZEPLIN实验首次科学运行的结果 LUX-ZEPLIN（LZ）实验是在美国南达科他州桑福德地下研究设施中运行的双相液氙时间投影室实验。作者报道了一个相对论扩展到非相对论有效场论（NREFT）的结果，该研究基于5.5吨基准(fiducial)质量和60个有效曝光日的数据。作者给出了耦合约束，这些耦合来源于矢量流、轴矢流与核子的电偶极矩和弱相互作用质量粒子（WIMP）的磁偶极矩之间的相互作用，这些相互作用无法通过之前由NREFT描述的结果重新解释。 在能量范围为0 keV_nr到270 keV_nr的区域内，作者通过使用轮廓似然比分析（profile-likelihood ratio analysis），报告了五种相互作用在同位标量（isoscalar）和同位矢量（isovector）基矢中的耦合强度限制，这些结果具有90%的置信区间排除水平。

Constraints on Covariant Dark-Matter–Nucleon Effective Field Theory Interactions from the First Science Run of the LUX-ZEPLIN Experiment

J. Aalbers, et al.,   (LZ Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 221801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.221801

中国科学院近代物理研究所研究团队利用磁刚度（B𝜌）识别等时质谱技术，首次测定了 ²³Si、²⁶P、²⁷S和³¹Ar的质量，并将²⁸S质量的测量精度提高了11倍。测量结果证实这些同位素均是束缚的，并确定了P、S和Ar元素的质子滴线位置。研究发现，镜像核素对²⁶P - ²⁶Na、²⁷P - ²⁶Mg、²⁷S - ²⁷Na、²⁸S - ²⁸Mg 和 ³¹Ar - ³¹Al 的镜像能量差与假设镜像对称时所预测的值有显著偏差。此外，他们观察到镜像核素对 ²²Al - ²²S 和 ²³Al - ²²Ne的激发态存在类似的异常，但在基态中未观察到。价空间-介质内相似重整化群（VS-IMSRG）第一性原理方法以及平均场方法的计算表明，这种镜像对称性破缺现象可以通过弱束缚、丰质子核扩展的电荷分布来解释。这种现象作为识别质子晕候选核的独特特征，具有重要意义。

（陆俊旭）

Nuclear Structure of Dripline Nuclei Elucidated through Precision Mass Measurements of ²³Si, ²⁶P, ^{27, 28}S and ³¹Ar

Y. Yu et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 222501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.222501

原子核的电子桥（EB）激发被认为是一种高效激发²²⁹Th同核异构体的多功能方法。以往关于EB激发的研究只是微扰地处理原子核-电子的耦合，而忽略了被激发的原子和离子的超精细结构以及衰变。在本工作中，作者采用量子光学方法对²²⁹Th³⁺离子的EB激发进行非微扰研究。这种方法通过缀饰的超精细态和量子主方程技术同时考虑超精细结构和原子衰变。数值结果表明，不含时的同核异构体稳态布居受到原子衰变的限制，最大仅为27.9%。然而，通过利用暗态，（含时）受激拉曼绝热通道法在理论上达到了显著的99.7%的同核异构布居转移，并通过EB机制展示了一种潜在的核激光方案。作者的量子光学方法具有很大的灵活性，为利用先进的量子控制技术设计和优化EB激发的实验方案铺平了道路。

Isomeric Population Transfer of the ²²⁹Th Nucleus via Hyperfine Electronic Bridge

Wu Wang, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 223001 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223001

势阱中的冷离子是一种成熟的、高度可控的系统，在量子科学、精密光谱学、时钟和化学领域具有广泛的应用。纳米机械振荡器可用于先进的传感应用，探索经典物理学和量子物理学之间的边界。在这里，作者报道了一种能在微型离子阱中将金属纳米线与激光冷却离子结合的复合系统的实现。在经典范围内进行实验，作者演示了两个系统的共振和非共振耦合以及纳米线的机械驱动对离子相干运动的激发。目前的结果证明了离子与纳米机械谐振器耦合的可行性，为机械操纵囚禁离子的运动以及发展离子-机械复合量子系统开辟了道路。

Coupling Trapped Ions to a Nanomechanical Oscillator

Moritz Weegen, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 223201 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223201

在量子多体物理的演生对称性类别中，以前未实现的演生时空超对称性（SUSY）尤其引人注目。虽然已知时空超对称性可以在（1+1）d三临界Ising跃迁中出现，但实验上的实现仍然缺失。在本文中，作者提出利用具有两组不同Rydberg激发的可重构Rydberg原子阵列来实现演生时空超对称性，这些激发适合在双类别平台上实现。在此系统中，时空超对称性表现为玻色子模式及其费米伙伴各自的关联函数。然而，费米子模式的关联函数不可避免地涉及到一个弦算符，这很难在传统环境下直接测量。在这里，作者利用Rydberg原子阵列的混合模拟-数字特性，可以在同一平台上模拟物理哈密顿量和执行数字量子电路。这种混合协议为揭示演生时空超对称性的隐藏结构提供了一个新的视角。

Uncovering Emergent Spacetime Supersymmetry with Rydberg Atom Arrays

Chengshu Li, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 223401 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223401

[Featured in Physics] [编辑推荐]在多体量子实验中，铒和类似元素提供了广泛的电子“把手”来操纵原子。

作者首次成功地在光学镊子阵列中捕获了单个铒原子。使用一个单一的窄线光学跃迁，作者实现了直接镊子加载，成对弹出和连续成像的深度冷却，而无需额外的反冲抑制技术。镊子波长的选择使作者能够通过调整捕获光的椭圆度来达到魔幻捕获条件。此外，作者使用宽跃迁实现了超快高保真荧光成像方案，允许在光辅助碰撞期间对从多个原子到单个原子的镊子布居动力学开展时间分辨研究。另外，作者得到对弹射率，在定性上同Gallagher-Pritchard模型给出的半经典预测一致。本文代表了以探索铒为光镊量子模拟强大资源的一个有前景的起点。

Optical Tweezer Arrays of Erbium Atoms

D. S. Grün, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 223402 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402

暗态的形成是量子科学中的一个重要概念，但它与强相互作用粒子间（比如在量子简并气体中）的兼容性几乎没有被探索过。在这里，作者通过利用在强磁场下⁶ Li的𝐷₂跃迁中的Λ系统形成二组分共振相互作用的费米气体，在一个自旋中实现了暗态。暗态是在连接两个超流体储层的一维通道内的微米级区域中产生的。粒子在储层间的输运被当作探针。作者观察到原子在暗态中传输，并且保留了超流体辅助的快速电流。如果不满足暗态共振条件，则自发发射会抑制输运。作者还发现了跨双光子共振的输运时间尺度的不对称性，这种不对称性在非相互作用区间中是不存在的，并且在较高温度下会减弱。这项工作提出了关于暗态与粒子间相互作用的问题，并为费米子配对的光学操纵开辟了前景。

Dark State Transport between Unitary Fermi Superfluids

Mohsen Talebi, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 223403 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223403

作者研究了小模式间距极限下光子玻色-爱因斯坦凝聚的性质。除了在大模式间距下众所周知的相变阈值外，作者还发现了足够小的模式间距时出现的第二个阈值，确定了到完全凝聚态的交叉。此外，作者介绍了迈向连续极限的预冷凝区或过冷区的模式占居的研究结果。

Photonic Bose-Einstein Condensation in the Continuum Limit

Andris Erglis, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 223601 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223601

光的线性光学衍射是一种具有久远研究历史的基本自然现象，它遵循众所周知的传输互易性。在这项工作中，作者报道了钛宝石飞秒激光束对周期极化铌酸锂（PPLN）薄板非线性光栅的协同非互易线性和非线性衍射的观察结果，该光栅背面光滑，前表面是波纹状，浅光栅的深度只有67 nm。以高峰值功率泵浦激光束照射在几何不对称的非线性光栅的前后表面上时，除了显著的线性光学衍射和适度的第三阶非线性（3nd-NL）光谱展宽，还会引起明显的二阶非线性（2nd-NL）Raman-Nath衍射和Cerenkov辐射。这些线性、2nd-NL和3nd-NL光学过程在前向-后向，后向-前向的传输过程中表现出的显著差异，即线性和第2nd-NL非线性衍射具有明显不同的图案，而3nd-NL光谱展宽的程度不同。这种明显的协同非互易线性和非线性衍射现象是由于泵浦激光在PPLN非线性光栅内的前向和后向泵浦过程中与线性、二阶和三阶非线性过程之间不同的耦合强度引起的。观察到明显的非互易线性和非线性光学衍射现象将丰富基本光学互易性和非互易定律的概念和物理内涵。

Synergistic Nonreciprocity of Linear and Nonlinear Optical Diffraction

Lihong Hong, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 223801 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223801

作者研究了在沿对称平面的平面波照射下的多重散射介质中的镜像对称平面的作用。设计、制造的样品的光输运特性与三维建模进行了定量比较。在对称平面上观察到体散斑平均光强度分布强烈地依赖于偏振的偏差，样本平均强度的增益高达2倍或完全抑制。作者推导出了对称平面附近的样本平均强度分布的解析表达式。除了在基础的光传播研究方面的兴趣外，作者还设想镜像对称散射介质能用于防伪。

Mirror Symmetry in Three-Dimensional Multiple-Scattering Media

Sudhir K. Saini, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 223802 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223802

[Featured in Physics] [Editors’ Suggestion] Magnetospheric Multiscale mission data shows direct evidence of Alfvén-acoustic-energy channeling as a viable mechanism for plasma heating near plasma boundaries where large-amplitude Alfvén waves are present and complementary to the classical turbulence cascade.

在空间等离子体中，大振幅阿尔芬波可以驱动压缩扰动，加速离子束，并在动理学尺度上导致等离子体加热和离子声波的激发。这种从流体尺度到动理学尺度的能量通道代表了经典湍流级联的互补路径。Xin An等人通过同时解析地球磁层顶边界层中的流体尺度阿尔芬波、动理学尺度离子声波以及它们对离子速度分布的影响，提供了观测和计算证据来验证这一假设。其研究表明，由阿尔芬波的磁压梯度驱动的两种共存压缩模式，不仅能将离子尾部加速到阿尔芬速度，还能加热处于离子声速附近的热离子核心，并产生德拜尺度的离子声波。因此，在存在大振幅阿尔芬波的等离子体边界附近，阿尔芬波-声波（Alfven-acoustic）能量通道是等离子体加热的一种可行机制。

（王俊伟）

Cross-Scale Energy Transfer from Fluid-Scale Alfven Waves to Kinetic-Scale Ion Acoustic Waves in the Earth’s Magnetopause Boundary Layer

Xin An et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 225201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.225201

Huang等人研究了通过光场电离不同气体物质引起等离子体中螺旋状电子密度调制，及其随后的自组织过程。分析模型预测，螺旋密度调制由电离电子的漂移引起，该漂移速度与电离激光的空间和时间强度分布有关。三维PIC模拟验证了电子密度具有螺旋拓扑结构。进一步的模拟结果表明，螺旋密度调制会自组织成许多微细丝，即修正streaming不稳定性引起的细长结构。

（王泰阳）

Formation and Microfilamentation of Spiral Density Waves in Plasmas Induced by Circularly Polarized Field Ionization

C.-K. Huang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 225101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.225101

无序现象在真实材料中普遍存在，并且对量子相变有着巨大的影响。量子格里菲斯奇异性（QGS）起源于无序增强的量子涨落，是低维超导体量子临界中的普遍现象。然而，由于弱涨落效应，QGS在三维超导系统中的实验检测非常具有挑战性。本文中，Qi等人在尖晶石氧化物MgTi₂O₄(MTO)中发现了与从三维超导体到安德森临界绝缘体的量子相变相关的QGS。在垂直和平行磁场下，动力学临界指数在接近量子临界点时发散，展示了三维QGS的存在。在三维超导体中，MTO的超导转变区域较宽，具有相对较强的涨落效应。涨落的增强可能来源于安德森局域化的迁移率边，最终导致三维量子相变和QGS的出现。该发现为理解强无序三维系统的量子相变提供了一个新的视角。

（冯盼君）

Quantum Griffiths Singularity in a Three-Dimensional Superconductor to Anderson Critical Insulator Transition

Shichao Qi et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226001

Lu等研究了超导-变磁-超导结中的约瑟夫森效应，发现了包括0-π 转变和多节点电流-相位关系的反常现象。与d波超导类似，d波变磁体也可以提供一个φ结，其自由能极小值既不在φ=0也不在具有双重简并的φ=±π处，这些特性可以通过交换能、晶轴取向、长度和化学掺杂等参数来调节。这些丰富的特性使得超导-变磁-超导结具有可实用的功能。

（冯盼君）

φ Josephson Junction Induced by Altermagnetism

Bo Lu et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226002 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226002

多晶性普遍存在于各种材料中，使不同材料特性的相工程能够实现。虽然不同多晶态的晶体结构原则上可以通过实验表征，但解释和理解复杂的晶体结构非常具有挑战性。以Ga₂O₃为例，Huang等展示了长期以来被理论或实验所误解的γ-Ga₂O₃的晶体结构。通过基于晶格映射的晶体学分析和组合晶体结构搜索，他们揭示了γ-Ga₂O₃是β-Ga₂O₃的一种无序形式，并利用蒙塔卡洛模拟进一步验证了有序-无序相变。他们的见解对于正确解释和表征 γ-Ga₂O₃至关重要，并且所建立的物理有望广泛适用于各种多晶系统。 

（冯盼君）

Nature of Disordering in γ-Ga₂O₃

Qiu-Shi Huang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226101

Cracks develop various surface patterns as they propagate in three-dimensional (3D) materials. Symmetry-breaking topological defects in nominally tensile (mode-I) fracture emerge in the slow (noninertial) regime, taking the form of surface steps. We show that the same phase-field framework that recently shed basic light on dynamic (inertial) tensile fracture in three dimensions, also gives rise to crack surface steps. Step formation is shown to involve two essential physical ingredients: finite-strength quenched disorder and a small, mesoscopic antiplane shear (mode-III) loading component (on top of the dominant tensile, mode-I loading component). We quantify the nonlinear interplay between disorder (both its strength and spatial correlation length) and mesoscopic mode I+III mixity in controlling step formation. Finally, we show that surface steps grow out of the small-scale, background surface roughness and are composed of two overlapping crack segments connected by a bridging crack, in agreement with experiments.

Topological Defect Formation in Slow Three-Dimensional Fracture

Yuri Lubomirsky et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226102 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226102

[编辑推荐]一种新颖的泵浦探针低能电子衍射结构，使用来自衬底的光电子，并达到100飞秒的时间分辨率。

本文提出了一种研究表面晶体动力学的超快电子衍射新方法。探测电子脉冲是通过样品衬底低能电子的光电发射在表面附近产生的。这将电子脉冲在衍射前的传播距离限制在几纳米，从而最大限度地减少了由于空间电荷和色散引起的脉冲加宽效应。实验表明时间分辨率约100飞秒，比报道的传统超快低能电子衍射的值高出10倍。 

（冯盼君）

Ultrafast Low-Energy Photoelectron Diffraction for the Study of Surface-Adsorbate Interactions with 100-fs Temporal Resolution

H. Erk et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226201

External coherent fields can drive quantum materials into nonequilibrium states, revealing exotic properties that are unattainable under equilibrium conditions—an approach known as “Floquet engineering.” While optical lasers have commonly been used as the driving fields, recent advancements have introduced nontraditional sources, such as coherent phonon drives. Building on this progress, we demonstrate that driving a metallic quantum nanowire with a coherent wave of terahertz phonons can induce an electronic steady state characterized by a persistent quantized current along the wire. The quantization of the current is achieved due to the coupling of electrons to the nanowire’s vibrational modes, providing the low-temperature heat bath and energy relaxation mechanisms. Our findings underscore the potential of using nonoptical drives, such as coherent phonon sources, to induce nonequilibrium phenomena in materials. Furthermore, our approach suggests a new method for the high-precision detection of coherent phonon oscillations via transport measurements.

Quantized Acoustoelectric Floquet Effect in Quantum Nanowires

Christopher Yang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226301

The miniaturization of integrated circuits is facing an obstruction due to the escalating electrical resistivity of conventional copper interconnects. The underlying reason for this problem was unveiled by Fuchs and Sondheimer, who showed that thinner wires are more resistive because current- carrying electrons encounter the rough surfaces of the wire more frequently therein. Here, we present a generalization of the Fuchs-Sondheimer theory to Dirac and Weyl materials, which are candidates for next-generation interconnects. We predict a nonlinear longitudinal electric current originating from the combined action of the Berry curvature and nonspecular surface scattering.

Nonlinear Longitudinal Current of Band-Geometric Origin in Wires of Finite Thickness

Robin Durand et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226302 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226302

The Kitaev honeycomb model supports gapless and gapped quantum spin liquid phases. Its exact solvability relies on extensively many locally conserved quantities. Any real-world manifestation of these phases would include imperfections in the form of disorder and interactions that break integrability. We show that the latter qualitatively alters the properties of vacancies in the gapless Kitaev spin liquid: (i) Isolated vacancies carry a magnetic moment, which is absent in the exactly solvable case. (ii) Pairs of vacancies on even or opposite sublattices gap each other with distinct power laws that reveal the presence of emergent gauge flux.

Vacancies in Generic Kitaev Spin Liquids

Ihor Yatsuta et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226501

在本文中，Zhao等提出了一种手性对称类中涌现准局域相的机制，即沿着弱拓扑空间方向的波函数是离域化的，但沿着其它方向的波函数是指数局域化的。二维手性对称类中的安德森转变是由U(1)相自由度的涡旋-反涡旋对的增殖诱发的，而弱拓扑赋予了涡旋-反涡旋对贝利相位。他们认为，贝里相位通过量子干涉效应诱导涡旋-反涡旋对沿拓扑方向发生空间极化，而极化涡旋对的增殖则导致了准局域相。

（冯盼君）

Topological Effect on the Anderson Transition in Chiral Symmetry Classes

Pengwei Zhao et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226601

二维系统中量子自旋霍尔效应的发现极大地推动了拓扑材料的发展，它可以用第一自旋陈数来表征。探索其四维对应物具有根本性的重要意义，但是迄今为止在实验上仍然难以实现。在这里，Lai等人结合了三维几何结构和一维旋转参数空间，在四维流形中实现了由第二自旋陈数保护的拓扑声子纤维。他们在实验上观察到了自旋动量锁定核心态沿着狄拉克质量连续变化的涡旋线行进，还进一步表明了一种新的高阶面心束缚态，该发现强调了高维拓扑物理和缺陷之间的相互作用，为纤维开辟了一条拓扑路径。 

（冯盼君）

Topological Phononic Fiber of Second Spin-Chern Number

Hua-Shan Lai, Xiao-Hui Gou, Cheng He, and Yan-Feng Chen

Phys. Rev. Lett. 133, 226602 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226602

We study how sharp signatures of fractionalization emerge in nonlinear spectroscopy experiments on spin liquids with separated energy scales. Our model is that of dipolar-octupolar rare earth pyrochlore materials, prime candidates for realizing quantum spin ice. This family of three-dimensional quantum spin liquids exhibits fractionalization of spin degrees of freedom into spinons charged under an emergent U(1) gauge field. We show that the technique of two-dimensional coherent spectroscopy can identify clear signatures of fractionalized spinon dynamics in dipolar-octupolar quantum spin ices. However, at intermediate temperatures, spinon dynamics are heavily constrained in the presence of an incoherent spin background, leading to a broad two-dimensional coherent spectroscopy response. At lower temperatures, a sharp signal emerges as the system enters a coherent spin liquid state. This lower temperature signal can in turn distinguish between zero-flux and π-flux forms of quantum spin ice.

Signatures of Spinon Dynamics and Phase Structure of Dipolar-Octupolar Quantum Spin Ices in Two-Dimensional Coherent Spectroscopy

Mark Potts et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226701 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226701

In this study, we construct Fabry-Perot cavities in which nanostructured, thin resonant metasurfaces act as mirrors. We develop a temporal coupled-mode theory and provide an accurate description of the resonances supported by these cavities, deriving analytically their transmission characteristics. The presence of metasurface mirrors introduces a substantial group delay, causing the field concentration to shift from the bulk of the cavity towards the regions close to the two metasurfaces. This shift is accompanied by a significant increase in the quality factor of the resonances that is associated with the emergence of singular points in frequency space. These singular points exist even when the cavity separations are smaller than the cavity length of the fundamental mode in standard cavities, enabling meta-mirror Fabry-Perot cavities to outperform traditional cavities by achieving much higher quality factors despite displaying shorter cavity lengths.

Fabry-Perot Resonances in Bilayer Metasurfaces

G. Alagappan et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226901 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226901

Time-resolved photoemission spectroscopy is the key technique to probe the real-time nonequilibrium dynamics of electronic states. Theoretical predictions of the time dependent spectral function for realistic systems is however, a challenge. Employing the Kadanoff-Baym equations to find this quantity results in a cubic scaling in the total number of time steps, quickly becoming prohibitive and often fail quantitatively and even qualitatively. In comparison, mean-field methods have more favorable numerical scaling both in the number of time steps and in the complexity associated with the cost of evolving for a single time step, however they miss key spectral properties such as emergent spectral features. Here we present a scheme that allows for the inclusion of dynamical correlations to the spectral function while maintaining the same scaling in the number of time steps as for mean-field approaches, while capturing the emergent physics. Further, the scheme can be efficiently implemented on top of equilibrium real-time many-body perturbation theory schemes and codes. We see excellent agreement with exact results for test systems. Furthermore, we exemplify the method on a periodic system and demonstrate clear evidence that our proposed scheme produces complex spectral features including excitonic band replicas, features that are not observed using static mean-field approaches.

Real-Time Dyson-Expansion Scheme: Efficient Inclusion of Dynamical Correlations in Nonequilibrium Spectral Properties

Cian C. Reeves et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226902 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226902

Milczewski 等研究了在原子层厚度半导体中诱导超导的机制，其中电子之间的有效吸引力是由激子介导的。他们的模型包括了声子介导超导范例之外的相互作用效应，并联系了玻色和费米极子的既定限制。通过考虑三激子的强耦合物理，他们发现有效的电子-激子相互作用具有很强的频率和动量依赖性，同时伴随着系统从弱束缚s 波库珀对到双极子超流体的BCS-BEC转变。即使在强耦合条件下，双极子仍然相对较轻，导致临界温度高达费米温度的 10%。这使得二维材料的异质结构成为在电子掺杂和三激子结合能所设定的高临界温度下实现超导的理想候选材料。

（冯盼君）

Superconductivity Induced by Strong Electron-Exciton Coupling in Doped Atomically Thin Semiconductor Heterostructures

Jonas von Milczewski et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226903 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226903

[Featured in Physics] [编辑推荐] 激光施加的力可以操纵膜振动模式的形状。

Clark等展示了一种具有可光学编程缺陷模式的机械晶体，他们通过对声子晶体膜中的单个原胞施加光学弹簧，将单一机械模式平滑地转移到带隙中，从而将其空间轮廓从覆盖整个晶体的范围局域化到仅局限于几个原胞之内。这种局域化表现为机械频移的增强，与该模式参与质量减少37倍相称。这种快速、可逆的全光学控制是设计机械缺陷的一种全新方法，具有原位可重构的优势。 

（冯盼君）

Optically Defined Phononic Crystal Defect

Thomas J. Clark et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 226904 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.226904

[编辑推荐] 描述流涨落和静态线性流响应之间热力学平衡，而非流本身的新型热力学不确定性关系。

马尔可夫网络的流精度受热力学不确定性关系(TUR)的耗散约束。本文中，Ptaszyński等人证明了一个约束静态流对动力学势垒扰动响应精度的类似不等式。这类只影响系统动力学而不影响热力学的扰动在生物化学和纳米电子学中非常重要。作者证明了该不等式虽不能从标准TUR中推导得到，但已将标准TUR隐含其中，并为耗散提供了更严格的约束。同时还提供了一套用于获得给定模型最佳响应精度的流程。

Dissipation Bounds Precision of Current Response to Kinetic Perturbations

Krzysztof Ptaszyński et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 227101 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.227101

发现耦合振子系统中部分相干模式的复杂动力学是非线性科学中重要且热门的领域。考虑到耦合中的高阶傅立叶模式，Cai等人在相位模型中发现了一种新型聚类相干态，即在相干域内振子进一步分成动态等效的q个子群，相邻子群间的相位差为2π/q，形成多相干相位(MUP)奇美拉态。作者使用自洽性分析和Ott-Antonsen降维法理论推导这些解，并通过频谱分析进一步证明其稳定性。振子可以在空间移动，因此群集振子(swarmalators)广义扭曲态和高阶空间集群奇美拉态的MUP 效应普适性超越了纯相位模型。

High-Mode Coupling Yields Multicoherent-Phase Phenomena in Nonlocally Coupled Oscillators

Zongkai Cai et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 227201 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.227201

[编辑推荐]一套原位(in situ) X 射线光谱技术与机器学习和密度泛函理论相结合，可以全面表征 CO₂ 电催化还原为 CO 过程中工作 Ni-N-C 催化剂的局部原子和电子结构。

镍氮共掺杂碳 (Ni-N-C) 催化剂因其在 CO₂(CO₂RR) 电催化还原为 CO 方面的优异性能而受到关注。然而，对这些催化剂工作机理的直接实验了解缺失，阻碍了人们的基本理解和进一步提高。A. Martini等人揭示了在 CO₂RR 下单分散 Ni 位点形成吸附物的性质。特别是，操作高能量分辨率荧光检测到 Ni 边缘的 X 射线吸收近边缘结构 (HERFD-XANES) 以及价核 X 射线发射光谱 (vtc-XES) 和 X 射线吸收 ( Ni 𝐿₃-边缘的XAS）被用来揭示反应中间体的结构和电子性质。这些技术与无监督和监督机器学习方法以及密度泛函理论相结合，能够全面表征工作 Ni-N-C 催化剂的局部原子和电子结构。具体来说，他们能够区分与 CO₂RR 功能相关的 Ni 位点的结构和电子变化与辐射引起的损伤的影响，从而直接了解 Ni 中心和 CO₂RR 中间体之间的键形成，特别是在 CO 被吸附时。

(张清源)

Adsorbate Configurations in Ni Single-Atom Catalysts during CO₂ Electrocatalytic Reduction Unveiled by Operando XAS, XES, and Machine Learning

Andrea Martini, Janis Timoshenko et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 228001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.228001

[Featured in Physics] [编辑推荐]研究人员利用机器学习来优化打开小笼子释放分子的过程。

复杂反应的精确控制对于生物过程至关重要，但无法针对特定结果进行设计限制了合成类似物的发展。Ryan K. Krueger等人利用可微分模拟器来设计胶体组件中的重要反应路径。通过优化外部结构，他们实现了胶体壳的受控分解和颗粒释放。最后，他们通过正向计算和优化来表征构型熵在结构中的作用，激发设计胶体反应的新参数化。

(张清源)

Tuning Colloidal Reactions

Ryan K. Krueger, Ella M. King, and Michael P. Brenner

Phys. Rev. Lett. 133, 228201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.228201

[编辑推荐]当掺杂活性粒子作为局部能量注入的手段时，胶体凝胶可以动态地采用高度多孔但致密的本体结构。

胶体凝胶是表现出无序、无定形但亚稳态形式的功能材料的主要例子。它们通过短程吸引力保持稳定性，并且它们的材料特性可通过外力调节。结合持续同源性分析和掺杂活性颗粒的三维胶体凝胶的模拟，Martin C. Pedersen等人揭示了胶体凝胶的新型动态演化结构。具体来说，该工作表明，活性掺杂剂的局部能量注入可以导致高度多孔但致密的凝胶结构，这可以显着影响活性粒子在改性胶体凝胶内的传输。他们进一步展示了被动界面如何在 3D 中与主动粒子相互作用中发挥重要的拓扑作用。这些结果为通过 3D 被动物质的主动掺杂形成各种致密但高度异质和渗透的多孔介质的前景打开了大门，这对设计用于主动地面修复的新型功能材料具有多种影响。

（张清源）

Active Particles Knead Three-Dimensional Gels into Porous Structures

Martin Cramer Pedersen, Sourav Mukherjee et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 228301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.228301