PRL导读-2024年133卷13期

作者基于潜在的对称群推导出了量子系统热力学的系统方法。作者首先证明，系统的熵可以用群论量来描述，群论量在很大程度上独立于其密度矩阵的细节。然后，作者将作者的技术应用于一般的N个完全相同的相互作用d-能级量子系统。利用置换不变性，作者发现，对于大N，熵在函数s(x)方面表现出普遍的渐近行为，该行为完全独立于模型的微观细节，但仅取决于置换群S_N的不可约表示的大小。反过来，系统的平衡态及其周围的宏观波动被证明满足大偏差原理，其速率函数为f(x)=e(x)-β^-1s(x)，其中e(x)只取决于由群表示理论确定的特定子空间的基态能量，β是逆温度。作者将作者的理论应用于横场Curie-Weiss模型，这是一个表现出热和量子涨落相互作用的相变最小模型。

（刘承葛）

Symmetry Shapes Thermodynamics of Macroscopic Quantum Systems

V. Cavina, A. Soret, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 130401 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.130401

跨平台验证是早期量子计算领域的一项关键任务，它试图利用最小的测量值来表征两个执行相同算法的不完美量子设备的相似性。虽然随机测量方法在这种情况下起到了重要作用，但随着量子比特数量的增加，准指数计算需求阻碍了它在大型量子比特场景中的可行性。为了弥合这一知识差距，作者在这里引入了一种创新的多模态学习方法，认识到这项任务中的数据形式化体现了两种不同的模式：测量结果和对探索的量子器件上编译电路的经典描述，两者都包含有关量子器件的独特信息。基于这一认识，作者设计了一个多模态神经网络，从这些模态中独立提取知识，然后进行融合操作以创建全面的数据表示。当执行训练数据中不存在的新量子算法时，所学习的表示可以有效地表征所探索的量子器件之间的相似性。作者在具有不同噪声模型的平台上评估作者的提案，包括高达50个量子比特的系统尺寸。所取得的结果表明，与随机测量相比，预测精度提高了3个数量级，并为每种模态在跨平台验证中发挥的互补作用提供了令人信服的证据。这些发现为利用多模态学习的力量克服更广泛的量子系统学习任务中的挑战铺平了道路。

（刘承葛）

Multimodal Deep Representation Learning for Quantum Cross-Platform Verification

Y. Qian, Y. X. Du, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 130601 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.130601

将系统解耦为独立演化的组件在简化看似复杂的系统方面有着悠久的历史。它们能够更好地理解潜在的动力学和因果结构，同时提供更有效的方法在计算机上模拟这些过程。在这里，作者概述了一种用于解耦酉量子动力学的变分解耦算法，该算法允许作者将给定的n-量子比特酉门分解为多个独立演化的子组件。作者将这种方法应用于量子电路合成——发现目标酉动力学的量子电路实现的任务。作者的数值研究表明了显著的好处，表明变分解耦使作者能够合成一般的二量子比特和四量子比特门，达到传统变分电路无法达到的保真度。

（刘承葛）

Variational Quantum Circuit Decoupling

X. M. Wang, C. R. Yang, and M. L. Gu

Phys. Rev. Lett. 133, 130602 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.130602

作者提出了一种量子激光雷达协议，通过使用单束脉冲位移压缩光照射目标，来联合估计目标的距离和速度。在无损耗情况下，作者展示了距离和速度估计的均方差与信号光子数的平方成反比，同时达到海森堡极限。这是通过设计时间模式的多光子压缩态并采用标准的零差检测来实现的。为了评估量子协议的鲁棒性，作者引入了光子损失和零差接收器的失谐。作者的研究揭示了量子方案在广泛的往返传输率范围内相较于已知最佳的经典策略具有量子优势。特别是，在损失足够小的情况下，即使与最优的—可能无法实现的—经典性能极限相比较，量子优势也非常显著。量子优势还扩展到了在强经典相干态上进行量子工程的实际情况，该相干态的功率达到了瓦特级。这一点，加上协议对损失的鲁棒性以及使用最先进技术测量的可行性，使得该协议在近期实现中非常有前景。

（张皓玥）

Heisenberg-Limited Quantum Lidar for Joint Range and Velocity Estimation

M. Reichert, Quntao Zhuang, and M. Sanz

Phys. Rev. Lett. 133, 130801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.130801

[编辑推荐] 一个利用内在的自旋-电荷相关性来测量金刚石中氮自旋缺陷的自旋和电荷性质的实验。

半导体中的电子缺陷构成了新兴量子技术的基础，但许多缺陷中心在单粒子水平上难以得到。一种探测光学不活跃的自旋缺陷的方法将揭示原子尺度的半导体物理，并推动新量子系统的研究。作者利用缺陷中心的电荷和自旋态之间的内在关联，来测量金刚石中单个取代氮自旋缺陷的电荷布居和动力学。通过探测其稳态自旋布居，在单个缺陷水平上通过附近的氮空位中心读出，作者直接测量了缺陷电离——通过第一性原理计算得到证实——这是他们无法通过传统的基于相干性的量子传感技术得到的效果。

（张皓玥）

Quantum Spin Probe of Single Charge Dynamics

J. C. Marcks, M. Onizhuk, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 130802 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.130802

经典影子协议是一种高效的策略，用于利用少量的态的副本和测量来估计未知态。在其原始形式中，它涉及使用某些系综中的幺正变换来旋转态，并在固定的基上测量旋转后的态。最近的研究表明，对于计算局域性质，优化样本复杂度显著地通过从浅深度电路中抽取由局域纠缠门组成的幺正元来实现，而不是采用纯局域（零深度）或全局旋转（无限深）的系综。在这里，作者考虑在噪声存在的情况下，样本复杂度是电路深度的函数。作者发现这种噪声对确定最优旋转系综有重要意义。在相当一般的条件下，作者展示了任意单点噪声都可以通过具有适当阻尼参数的退极化噪声通道来解释，计算了在最优旋转约化泡利算符的局域旋转的阈值，计算了n次Rényi熵(n≥2)，为任意有限噪声强度提供了最优电路深度的上限，这适用于可观测量和纠缠熵测量。这些阈值强烈限制了寻找实施影子断层扫描的最优策略，并且可以轻松地根据手头的实验系统进行调整。

（张皓玥）

Optimal Twirling Depth for Classical Shadows in the Presence of Noise

P.-G. Rozon, Ning Bao, and K. Agarwal

Phys. Rev. Lett. 133, 130803 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.130803

作者提出了一个黑暗时代中21cm全局信号的新观测量，“黑暗时代一致率”，其可作为超出标准Λ冷暗物质（ΛCDM）模型的关键检验指标，尤其是对于在未来使用月球上或环绕月球轨道上望远镜所进行的任务而言。此新观测量受到21cm信号随频率的泛函形式的形状基本不依赖ΛCDM中宇宙学常数这一事实的启发。黑暗时代一致率在ΛCDM情形下取到确定值，这使得学者可以轻易地证伪受到一些粒子物理及引力理论启发而超出标准模型的情况。这一新观测量只需要测量数个黑暗时代频带的亮温度，因此即使在未来月球任务的早期阶段21cm全局信号只有有限信息的情况下，也可以检验宇宙学图景。

Dark Age Consistency in the 21 cm Global Signal

Fumiya Okamatsu, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 131001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.131001

迄今的引力波信号探测都在信号源是黑洞或中子星双星的范式下进行。本文中，作者研究了可能存在于数据流中的玻色星信号。作者对玻色双星进行了长（~20轨道）而精确的数值模拟，且将产生的应变加入了LIGO噪声之中。作者的贝叶斯推断表明一些玻色星信号在当前近似下简并，尽管参数有偏差。同时，另一些信号表现出确凿的证据，留下了明显的残余。

Gravitational-Wave Data Analysis with High-Precision Numerical Relativity Simulations of Boson Star Mergers

Tamara Evstafyeva, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 131401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.131401

观测到的来自黑洞周围炽热吸积气体的辐射同时依赖物质流与时空几何的细节。黑洞的透镜效应造成了其光环内自相关的独特模式，编码了质量、自转以及倾角的信息。特别地，光线的时间自相关应当会出现由源的光回波产生的一系列峰，其中每个峰都延迟了光回波的特征时间τ。但是，此类峰并未在观测到的黑洞光线中出现。本文中，作者发展了一种此类光线的解析模型来解释成因，即使光回波总存在于信号中，如果源的特征修正时间尺度λ₀大于τ，也不会产生自相关峰。作者用经过广义相对论代码追迹的随机吸积模型下光线模拟结果确证了此模型，然后将模型与观测到的Sgr A^*光线相拟合。作者推断，λ₀大于τ给出了Sgr A^*光线时间自相关中光回波缺失的解释。作者的结果强调了通过未来基于空间的干涉法进行空间求解光子环的黑洞参数推断的重要性。

Explanation for the Absence of Secondary Peaks in Black Hole Light Curve Autocorrelations

Alejandro Cárdenas-Avendaño, Charles Gammie, and Alexandru Lupsasca

Phys. Rev. Lett. 133, 131402 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.131402

本文探索了沿着一个普通公共界面将任意数量的时空粘合在一起的构造。这为构建具有多个边界的新引力背景提供了一种通用工具。作者使用两种方法推导了爱因斯坦引力和膨胀子引力中界面上的连接条件：（1）通过开发引入辅助逆扩展流形的几何技术；（2）通过变分原理。研究表明连接条件适用于类空间和类时间界面。我们说明了连接条件在Jackiw-Teitelboim引力中的应用，并分析了它们对允许的膨胀子的约束。我们进一步评论了存在多个界面的时空网络的几何形状及其与费曼图的相似性。

Multiway Junction Conditions for Spacetimes with Multiple Boundaries

Jia-Yin Shen, Cheng Peng, and Li-Xin Li

Phys. Rev. Lett. 133, 131601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.131601

本文介绍了一类由一个变量函数参数化的二维西格玛模型。除了物理场g，这些模型还包括一个辅助场𝑣_𝛼，它以规定的方式传递相互作用。我们证明了这个家族中的每一个理论都是经典可积的，因为它在内卷化中有一组无穷的守恒荷，这些荷可以从运动方程的Lax表示中构造出来。这一类包括主手征模型（PCM）和PCM通过能量动量张量函数的所有变形。

Infinite Family of Integrable Sigma Models Using Auxiliary Fields

Christian Ferko and Liam Smith

Phys. Rev. Lett. 133, 131602 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.131602

We measure the complete set of angular coefficients 𝐽𝑖 for exclusive    decays (  ). Our analysis uses the full 711  fb⁻¹ Belle dataset with hadronic tag-side reconstruction. The results allow us to extract the form factors describing the    transition and the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix element |𝑉_cb|. Using recent lattice QCD calculations for the hadronic form factors, we find |𝑉_cb|=(40.7±0.7)×10⁻³ using the Boyd-Grinstein-Lebed parametrization, compatible with determinations from inclusive semileptonic decays. We search for lepton flavor universality violation as a function of the hadronic recoil parameter 𝑤and investigate the differences of the electron and muon angular distributions. We find no deviation from standard model expectations.

Measurement of Angular Coefficients of   : Implications for |𝑉_𝑐𝑏| and Tests of Lepton Flavor Universality

M. T. Prim et al. (Belle Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 131801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.131801

本文使用相对论量子场论中计算重子性质的对称性保持方案来预测与核子到Δ的轴和赝标量跃迁流相关的所有形状因子，从而将它们与这些和其他重子的许多附加性质统一起来。新的参数自由的预测可以作为可靠的基准，用于分析全球范围内专注于阐明𝜈性质的现有和预期数据。

Nucleon-to-Δ Axial and Pseudoscalar Transition Form Factors

Chen Chen (陈晨), Christian S. Fischer, and Craig D. Roberts

Phys. Rev. Lett. 133, 131901 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.131901

[Editors’ Suggestion] A new amplitude analysis involving simultaneous fits to two 𝐶-parity related decay channels results in the observation of new charmonium(like) states decaying to 𝐷^*±𝐷^∓.

A study of resonant structures in 𝐵⁺→𝐷^*+𝐷⁻𝐾⁺ and 𝐵⁺→𝐷^*−𝐷⁺𝐾⁺ decays is performed, using proton-proton collision data at center-of-mass energies of √𝑠=7, 8, and 13 TeV recorded by the LHCb experiment, corresponding to an integrated luminosity of 9  fb⁻¹. A simultaneous amplitude fit is performed to the two channels with contributions from resonances decaying to 𝐷^*−𝐷⁺ and 𝐷^*+𝐷⁻ states linked by 𝐶 parity. This procedure allows the 𝐶 parities of resonances in the 𝐷^*±𝐷^∓ mass spectra to be determined. Four charmonium or charmoniumlike states are observed decaying into 𝐷^*±𝐷^∓: 𝜂_𝑐(3945), ℎ_𝑐(4000), 𝜒_𝑐1(4010), and ℎ_𝑐(4300), with quantum numbers 𝐽^𝑃𝐶 equal to 0⁻⁺, 1⁺⁻, 1⁺⁺, and 1⁺⁻, respectively. At least three of these states have not been observed previously. In addition, the existence of the    and    resonances in the 𝐷⁻𝐾⁺ mass spectrum, already observed in the 𝐵⁺→𝐷⁺𝐷⁻𝐾⁺ decay, is confirmed in a different production channel.

Observation of New Charmonium or Charmoniumlike States in 𝐵⁺→𝐷^*±𝐷^∓𝐾⁺ Decays

R. Aaij et al. (LHCb Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 131902 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.131902

[Featured in Physics] 研究表明，正电子发射断层（PET）扫描中使用的光子量子纠缠是非常稳健的，这为发展量子增强的PET方案开辟了前景。

约束正电子湮灭产生的、兆电子伏纠缠γ光子的量子退相干，是多年来的难题。Bordes等人针对纠缠γ光子的三重康普顿散射，报道了首个统计学和运动学精确的实验数据。他们在g光子经历中间康普顿散射时，获得了一个纠缠见证(R)，它与末态散射平面之间方位角关联的增强有关。通过多重散射背景的退卷积，他们测得了R，发现在中间散射角度直到60度的区域，R超过经典极限，在更大角度处，R减弱。实验数据与考虑了纠缠三重康普顿散射的量子理论以及基于简单模型理论方法的预测一致。这些结果对于未来基础物理和正电子断层成像中兆电子伏纠缠γ光子的研究和使用很重要。

First Detailed Study of the Quantum Decoherence of Entangled Gamma Photons

Julien Bordes et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 132502 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.132502

葛壮等人利用JYFLTRAP上的双潘宁阱质谱仪，对N = Z附近的奇特^95-97Ag同位素，进行了高精度的质量测量。他们利用离子导向同位素分离器在线装置上最近投入使用的感应加热热腔捕集激光离子源产生银离子。他们首次直接测得了⁹⁵Ag的原子质量，首次识别并测定了⁹⁶Ag中由β衰变产生的2⁺和8⁺态的原子质量，同时提高了⁹⁷Ag质量的测量精度。新测质量的精度约为1 keV/c²。基于新测质量，他们研究了N = 50中子壳隙，结果表明，该壳隙非常稳定。他们从新的基态质量数据中，提取了经验壳隙和对能，并将其与基于各种手征有效场论哈密顿量的先进第一性原理计算结果进行了比较。对⁹⁶Ag同质异能态激发能的精确测量，为基态以外核性质的第一性原理预测提供了基准，特别是对于位于¹⁰⁰Sn以下质子滴线附近的奇奇核。此外，他们将密度泛函理论和组态相互作用壳模型的计算结果与实验值进行了比较。他们发现，所有的理论方法，在再现跨越N = 50中子壳隙并延伸至质子滴线的银同位素的基态性质方面，都面临着挑战。

High-Precision Mass Measurements of Neutron Deficient Silver Isotopes Probe the Robustness of the 𝑁=50 Shell Closure

Zhuang Ge et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 132503 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.132503

二十多年前，人们就声称在激光等离子体中，观测到了¹⁸¹Ta同质异能态的激发现象。然而，所报道的实验结果及其高的激发速率，无法通过理论再现，遭到了质疑。这一争议至今仍未解决。Gargiulo等人从理论和实验两个方面，重新研究了光学激光产生的等离子体中，¹⁸¹Ta同质异能态的激发现象。实验方面，他们没有发现该激发过程的证据，这与之前理论模型以及他们采用的理论模型的预测是一致的。

Revisiting the Excitation of the Low-Lying ^181mTa Isomer in Optical Laser-Generated Plasma

Simone Gargiulo et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 132501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.132501

[编辑推荐]在质子-质子碰撞所产生的喷注内，当带电粒子的数目超过80时，任意两个粒子之间的关联性均高于预期，这表明小碰撞系统中开始出现集体行为。

CMS合作组利用欧洲核子中心大型强子对撞机上的CMS探测器，通过带电粒子的关联性测量，研究了质子-质子碰撞中产生的喷注内部的集体效应。分析所用数据对应的质心能量为13 TeV，积分亮度为138 fb^-1。他们采用反k_T算法重建喷注，算法中的距离参数为0.8，同时要求横向动量大于550 GeV，赝快度满足|η^jet|< 1.6。在喷注坐标系中，他们研究了喷注内带电粒子的两粒子关联随着粒子方位角间隔Δφ*和赝快度间隔Δη*的变化，其中，粒子的η*和φ*都是相对于喷注方向定义的。在喷注内带电粒子多重数N^j_ch约100的范围内，他们研究了关联函数。从长程方位角关联函数中，提取了傅里叶谐波，以表征|Δη*| > 2的方位角各向异性。对于低N^j_ch喷注，长程椭圆各向异性谐波ν₂^*随着N^j_ch的增加而减小，该趋势可由蒙特卡罗事件生成器很好地描述。然而，当N^j_ch ≥ 80时，ν₂^*显示出上升的趋势，表明可能开始出现集体行为，但该现象并未在模型检验中得到再现。这一实验观测为真空中喷注演化的动力学提供了新的见解。

Observation of Enhanced Long-Range Elliptic Anisotropies Inside High-Multiplicity Jets in pp Collisions at √𝑠 = 13 TeV

A. Hayrapetyan et al. (CMS Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 142301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.142301

作者将相对较热的气体样本置于共振飞秒激光脉冲下，展示了如何让分子持久地平面对齐。通过对处于振动基态的I₂分子进行光学探测，作者观察到它们的轴在垂直于场方向的平面附近持久离域化。这一现象归因于单光子共振激发，主要是从热基态分布中去除初始沿着场方向取向，即那些沿着场方向具有较小旋转角动量投影的分子。

Persistent Ground-State Planar Alignment of Iodine Molecule through Resonant Excitationd

M. Bournazel, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 133201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.133201

[Featured in Physics] 磁反馈使得两种原子气体彼此引导对方的自旋达到持久的集体取向。

量子传感对于精密测量至关重要，然而量子传感器的灵敏度通常受限于量子系统的相干时间。本文中，作者展示了通过自旋协同来增大相干时间的方法。利用可调反馈电路，作者在惰性气体 ¹²⁹Xe自旋之间诱导了协同效应，导致相干性提升幅度高达18倍。此外，作者还表明，¹²⁹Xe 自旋协同能够显著放大磁信号，放大幅度至少达到3个数量级。借助这种协同自旋放大器的磁场传感实现了 4 fT/Hz^1/2 的灵敏度，超过了嵌入式 ⁸⁷Rb自旋气体磁强计的自旋投影噪声。这些结果为新的“协同量子传感器”铺平了道路，在基础物理学领域开启了令人兴奋的前景。

Cooperative Spin Amplifier for Enhanced Quantum Sensing

Minxiang Xu, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 133202 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.133202

非厄米系统中的奇异简并性和通常复杂的谱特性是许多在厄米系统中不存在的现象的核心。最近，有人提出时空域中的Floquet耗散耦合可能提供一种新颖的机制，以推动没有静态对应的有趣谱拓扑结构的实现，尽管这在量子系统中的实验研究仍然难以实现。作者通过一组与两个空间分离的光束相互作用的热原子展示了这种Floquet耗散耦合，观察到在远离静态对应相变阈值的奇异点处发生了反常反宇称-时间对称性相变。作者的方案为非厄米拓扑谱的Floquet调控及操控在静态系统中不存在的新量子相奠定了基础。

Realizing Exceptional Points by Floquet Dissipative Couplings in Thermal Atoms

Zimo Zhang, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 133601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.133601

环状涡旋是一种新型且奇特的结构光，在光子拓扑学和量子信息领域有着应用潜力。本文中，作者展示了对强环状涡旋与原子相互作用过程中高次谐波产生的研究。作者表明，谐波谱的空间分布显示出独特的结构，这些结构是由于具有横向轨道角动量的驱动场的旋转而形成的高阶拓扑环状涡旋。接着，作者展示了通过合成具有纵向轨道角动量的环状涡旋和光学涡旋，能够在极紫外范围内生成光学Hopfions，其拓扑性质与驱动场完全不同。利用自旋角动量选择定则，作者进一步表明，可以控制拓扑纹理并将每个谐波调控至可控Hopf不变量的单模中。

Formation and Controlling of Optical Hopfions in High Harmonic Generation

Zijian Lyu, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 133801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.133801

无序在自然界中普遍存在，在光子学中已经得到广泛研究，以理解光扩散和局域化的基本原理，以及在功能性谐振腔和随机激光器中的应用。最近，拓扑光子学中对无序的研究已经导致了拓扑安德森绝缘体的实现，其特征由意想不到的无序诱导的相变所决定。然而，迄今为止观察到的光子拓扑安德森绝缘体仅限于时间反演对称性破缺的系统。本文中，作者提出并在不破坏时间反演变对称性的条件下实现了光子量子自旋霍尔拓扑安德森绝缘体。通过理论上的有效狄拉克哈密顿量、体传输的数值分析以及对体传输和边缘传输的实验检验，全面确认了无序诱导的拓扑相变。作者提供了令人信服的证据，证明了螺旋边缘模态的单向传播和稳健传输，这是非平凡的时间反演不变的拓扑安德森绝缘体的关键特征。此外，作者展示了无序诱导的光束偏转，突显了无序作为一种新的自由度在无磁系统中操控光传播的潜力。作者的工作不仅为观察独特的拓扑光子相铺平了道路，而且还通过利用无序提出了潜在的器件应用。

Realization of Time-Reversal Invariant Photonic Topological Anderson Insulators

Xiao-Dong Chen, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 133802 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.133802

作者展示了在具有非线性响应记忆的激光驱动光栅衍射中出现的自发对称性破缺。通过实验和理论观测，作者发现在光栅和照明都是对称的情况下，衍射仍然是不对称的。作者的分析揭示出衍射波如何自发获得平行于晶格矢量的动量，而这些动量并不受光栅周期的限制。作者的研究结果指出了非线性周期系统在成像、传感和信息处理方面提供了众多机会，因为这些系统与相应的线性系统相比能够利用更丰富的衍射响应。

Spontaneous Symmetry Breaking in Diffraction

J. Abad-Arredondo, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 133803 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.133803

灾难性相位反转是浓缩乳液突然破裂的特征，这一过程在许多工业应用中至关重要。在这里，我们结合了控制良好的实验和完全解析的数值模拟，研究了湍流流动下油水乳液中灾难性相位反转的临界动力学，作为接近相位反转体积分数时的研究。我们揭示了相位反转的特征是全局阻力波动的临界幂律发散。我们确定了在接近相位反转时局部滴结构中增强的动态异质性，并将其与发散的阻力波动紧密联系起来。此外，我们展示了在临界点附近，相位反转是由大尺度和小尺度上的大波动触发的随机过程。我们的发现为将相位反转过程建模为非平衡临界现象铺平了道路。

（邱仲普）

Divergence of Critical Fluctuations on Approaching Catastrophic Phase Inversion in Turbulent Emulsions

Lei Yi, Ivan Girotto, Federico Toschi, and Chao Sun

Phys. Rev. Lett. 133, 134001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.134001

物质中的电离辐射相互作用会引发一系列物理过程，这些过程是介质产生长期损伤的基础。迄今为止，由于缺乏合适的方法，人们无法理解材料纳米结构在这一系列过程中发挥的作用。此研究工作使用瞬态光吸收来追踪在整体和纳米结构SiO₂（气凝胶）中自由电子的寿命（τ_c），这些自由电子受激光驱动加速器皮秒级（10^-12s）X射线和质子爆发（burst）的照射。光学条纹显示，在横跨气凝胶中预期的声子-分型振子交叉的狭窄平均密度（ρ_av）范围内，τ_c从小于1ps急剧增加到超过50ps。数值模拟表明，这种不连续性可以借助辐照下纳米结构SiO₂中快速声子辅助恢复的猝灭来理解。这被证明会延长激发电子能量密度的增强期。总体而言，这些结果为追踪复杂系统中底层过程如何支撑宏观上观察到的现象，以及重要的一点——探明这些宏观现象发生的条件，开辟了一条直接路径。

（王何翰林）

Real-Time Observation of Frustrated Ultrafast Recovery from Ionization in Nanostructured SiO₂ Using Laser-Driven Accelerators

J. P. Kennedy et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 135001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.135001

Chen等人在SG 100 kJ激光设备上研究了预置正弦波纹的平面箔片的 X 射线烧蚀动力学。当扰动的振幅在线性范围内时，在烧蚀驱动的开始阶段就能观察并识别到很大一部分的二次谐波。通过辐射流体力学模拟和建立的简单模型，研究者们认为这种新现象由指向扰动面法线方向的烧蚀压力导致的烧蚀前沿发生持续变形引起。研究发现，这种变形主导了早期的扰动演变，并在传统的烧蚀 Richtmyer-Meshkov不稳定阶段之外，产生了一个特殊阶段。该研究结果可应用于各种领域，如惯性约束聚变中的内爆和天体物理学中的分子云动力学。

（王俊伟）

Early-Time Harmonic Generation from a Single-Mode Perturbation Driven by X-Ray Ablation

Z. Chen et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 135101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.135101

为了检验W7-X仿星器设计的5% 𝛽极限在高性能运行时的鲁棒性，Yao Zhou等人使用M3D-C1代码对压强驱动不稳定性进行了非线性磁流体动力学（MHD）模拟。与线性分析一致，理想气球模不稳定性发生在标准位形下𝛽超过5%时。然而，尽管随着𝛽的增加约束退化加剧，但这些模式在相对较低的水平上非线性饱和，并未引发大规模崩塌。相反，在另一种磁剪切接近零的位形中，理想交换模在𝛽=1%时引起压强崩塌。这些结果表明，标准的W7-X位形可能具有一个较软的𝛽极限，能够在很大程度上避免大的MHD事件，从而提升仿星器在稳态聚变反应堆中的应用价值。

（杨宁）

Benign Saturation of Ideal Ballooning Instability in a High-Performance Stellarator

Yao Zhou et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 135102 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.135102

结晶库仑等离子体的扩散系数是建模白矮星核心和中子星外壳必不可少的粒子物理学参数输入，但人们对此知之甚少。M. E. Caplan等人提出了一个库仑晶体中的扩散模型。研究证明了熔化和扩散遵循相同的普适定标，使得扩散独立于屏蔽。模拟表明，与普遍的看法相反，空位的形成并没有受到强压力的抑制。相反，空位形成和空穴扩散是库仑晶体自扩散的主要模式。

(卢玺)

Universal Diffusion in Coulomb Crystals

M. E. Caplan and D. Yaacoub

Phys. Rev. Lett. 133, 135301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.135301

最近有报道发现三层La₄Ni₃O₁₀在压力下存在超导现象，受其启发，Zhang等人利用从头算和无规相近似技术对该系统进行了全面研究。在没有电子相互作用的情况下，Ni的d_3z²_-r²轨道通过O的p_z轨道显示出成键—反键和非成键劈裂行为，从而在La₄Ni₃O₁₀中形成“三聚体”晶格，类似于La₄Ni₃O₁₀的二聚体。费米面由三个具有混合e_g轨道的电子层、一个空穴和一个由d_3z²_-r²轨道组成的电子口袋构成，这表明存在一个Ni双轨道最小模型。此外，他们在s^±波分支发现了超导配对，这是由以M=(π,π)为中心的口袋和以Γ=(0,0)为中心的部分费米面的部分嵌套导致的。随着电子密度n的变化，s^±不稳定性仍处于主导地位，其配对强度在n = 4.2（~ 6.7%的电子掺杂）附近达到最大值，呈现出穹顶状行为。当电子密度与新型1313堆叠的La₃Ni₂O₇相同时，超导不稳定性消失。这与三层子晶格产生的空穴口袋消失有关，表明La₃Ni₂O₇的高T_C超导电性确实不是源自三层和单层结构。此外，他们还证实了实验所提出的La₄Ni₃O₁₀的自旋态，即顶层和底层Ni之间存在面内(π,π)有序和反铁磁耦合，而中间层的自旋为零。 

（冯盼君）

Prediction of s^±-Wave Superconductivity Enhanced by Electronic Doping in Trilayer Nickelates La₄Ni₃O₁₀ under Pressure

Yang Zhang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136001

[编辑推荐]具有有限零能态密度和残余相的无间隙超导电性可能源于准晶体中的排斥相互作用，而非晶体中的排斥相互作用。

Liu等人提出了一个实现向列超导的普遍机制，并揭示了其在准晶体中的奇异残余相。从彭罗斯—哈伯德模型出发，他们的微观研究表明，由于违反了安德森定理，准晶体中Kohn-Luttinger机制驱动的向列超导通常是无间隙的，因此手性和向列超导都很常见。准晶体中的向列超导可以在配对相位波动的驱动下支持高于其T_C的新的残余相。他们结合重正化群和蒙特卡洛研究提供了一个相图，在这个相图中，除了传统的四倍电荷超导外，还出现了两个临界残余相，即准向列超导和准向列金属。在这两个准向列相中，离散晶格旋转对称性被反常地“准破缺”，取向相关性呈幂律衰减。它们将相图分为通过Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT)转变连接的各种相。这些非凡的临界残余相类似于q态（q≥5）时钟模型的中间BKT相，是独特的准晶体对称性带来的五倍（或更高）各向异性场的结果，而传统晶体材料中不存在这种各向异性场。 

（冯盼君）

Nematic Superconductivity and Its Critical Vestigial Phases in the Quasicrystal

Yu-Bo Liu et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136002 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136002

The mechanism of superconductivity in materials with aborted ferroelectricity and its emergence out of a dilute metallic phase in systems like doped SrTiO₃ is an outstanding issue in condensed matter physics. This dilute metal has anomalous properties that are both similar and different to those found in the normal state of other unconventional superconductors. For instance, T² resistivity can be found at densities that are too small to allow current decay through electron-electron scattering. We have investigated the optical properties of the dilute metallic phase in doped SrTiO₃ using THz time-domain spectroscopy. At low frequencies the THz response exhibits a Drude-like form as expected for typical metal-like conductivity. We observed the frequency and temperature dependencies to the low energy scattering rate Γ(ω,T)∝(ℏω)²+(pπk_BT)² expected in a conventional Fermi liquid. However, we find the lowest known p values of 0.39–0.72. As p is 2 in a canonical Fermi liquid and existing models based on energy dependent elastic scattering bound p from below to 1, our observation lies outside current explanation. Our data also give insight into the high temperature regime and show that the temperature dependence of the resistivity derives in part from strong T dependent mass renormalizations.

Anomalous Frequency and Temperature Dependent Scattering in the Dilute Metallic Phase in Lightly Doped SrTiO₃

K. Santhosh Kumar et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136003 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136003

[Featured in Physics] [编辑推荐]实验表明准晶体的振动特性与被称为黄金分割率的数字有关。

在缺失平移对称性但具有高度有序结构的准晶体中，理解声子在其非周期性晶格中如何传播一直悬而未决。Matsuura 等对二十面体准晶体AlPdMn的声学声子模式进行了非弹性中子散射研究，揭示了低能声学模式的分层赝能隙结构。此外，声子强度在能量和波矢量上与布拉格峰不对称，表明了声子在准晶体中的非互易传播特性。

（冯盼君）

Singular Continuous and Nonreciprocal Phonons in Quasicrystal AlPdMn

Masato Matsuura et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136101

[Featured in Physics]  一项实验揭示了摩擦力在纳米尺度上可能具有令人震惊的复杂速度依赖性。

从单个原子滑移到多个原子滑移的转变是理论上可预期的，在原子尺度的摩擦中也很重要，但这一转变从未作为速度的函数在实验中被证实。在本工作中，Song 等通过单层MoS₂/Au(111)上的高分辨率摩擦力显微镜显示，多个滑移会留下了独特的足迹，即摩擦速度减弱。具体来说，在10到100 nm/s的宽速度区间内，摩擦力出人意料地减弱了。模型模拟显示了同样的速度非单调行为，与实验结果定量一致。并且他们提出了一种速度—波纹相图，该相图的有效性更为普遍。

（冯盼君）

Nonmonotonic Velocity Dependence of Atomic Friction Induced by Multiple Slips

Yiming Song et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136201

[编辑推荐] 通过光辐射压力的非保守耦合，在线性振荡器集合体中会产生连续的时间晶体态，这是一种基于非互易相互作用而不是非线性的新机制。

Raskatla 等表明，连续时间晶体态可以在线性振荡器集合体中通过光辐射压力从非保守耦合中产生。这种新机制全面地解释了在光照下纳米线阵列中观测到的时间晶体态[T. Liu et al., Nat. Phys. 19, 986 (2023).]。与非线性同步系统有着本质区别，它与包括化学、生物、天气和纳米级物质等中具有各种相互作用的多体系统息息相关。

（冯盼君）

Continuous Space-Time Crystal State Driven by Nonreciprocal Optical Forces

V. Raskatla et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136202 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136202

We develop the microscopic theory for the attenuation of out-of-plane phonons in stressed flexible two-dimensional crystalline materials. We demonstrate that the presence of nonzero tension strongly reduces the relative magnitude of the attenuation and, consequently, results in parametrical narrowing of the phonon spectral line due to stress-controlled suppression of the retardation effects in the dynamically screened inter phonon interaction. We predict the specific power-law dependence of the spectral-line width on temperature and tension. We speculate that suppression of the phonon attenuation by nonzero tension might be responsible for high quality factors of mechanical nanoresonators based on flexural two-dimensional materials.

Narrowing of the Flexural Phonon Spectral Line in Stressed Crystalline Two-Dimensional Materials

A. D. Kokovin et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136203 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136203

铜和硼在环境压力下很少发生反应。为数不多的报道铜掺杂硼化合物的文献中往往缺乏明确的化学计量。在这里，Huang 等利用铜和β-斜方硼为前驱体，通过高压熔化法成功合成了Cu_2−δB₂₅单晶（其中δ~0.03，表明铜的化学计量不足）。由此合成的晶体具有四方硼子晶格的特征，其中铜原子部分或全部位于B₁₂二十面体间的不同间隙中。这种晶体具有26.5 GPa的高维氏硬度和1.19×10⁵ S/m的超高电导率，是二十面体硼化物中电导率最高的一种。霍尔测量结果表明，在30 GPa左右出现了明显的p-n传导型转变。这种转变以及显著的导电性可能受到结构中铜含量及其价态的影响。Cu_2−δB₂₅的合成不仅拓宽了硬质材料的范围，而且为创新性地调节富硼化合物的电子特性开辟了新途径，具有广阔的技术前景。

（冯盼君）

Hard Copper Boride with Exceptional Conductivity

Ming-Xing Huang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136301

We generalize the classical thermal Mpemba effect (where an initially hot system relaxes faster to the final equilibrium state than a cold one) to open quantum systems coupled to several reservoirs. We show that, in general, two different types of quantum Mpemba effects are possible. They may be distinguished by quantum state tomography. However, the existence of a quantum Mpemba effect (without determining the type) can already be established by measuring simpler observables such as currents or energies. We illustrate our general results for the experimentally feasible case of an interacting two-site Kitaev model coupled to two metallic leads.

Mpemba Effects in Open Nonequilibrium Quantum Systems

Andrea Nava et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136302 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136302

Understanding of bonding is key to modeling materials and predicting properties thereof. A widely adopted indicator of bonds and atomic shells is the electron localization function (ELF). The building blocks of the ELF are also used in the construction of modern density functional approximations. Here, we demonstrate that the ELF breaks down when applied beyond regular nonrelativistic quantum states. We show that for tackling general noncollinear open-shell solutions, it is essential to address both the U(1) gauge invariance, i.e., invariance under a multiplication by a position dependent phase factor, and SU(2) gauge invariance, i.e., invariance under local spin rotations, conjointly. Remarkably, we find that the extended ELF also improves the description of paradigmatic collinear states.

Electron Localization Function for Noncollinear Spins

Jacques K. Desmarais et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136401

The gradient expansion has been a long-standing guide rail in density-functional theory. We here demonstrate that for exchange-correlation approximations that depend on the gradient of the density and the kinetic energy density, i.e., for meta-generalized gradient approximations (meta-GGAs), there is a so far unexploited degree of freedom in the gradient expansion that allows to shift the relative weight of gradient and kinetic energy contributions. As the dependence on the kinetic energy density determines the derivative discontinuity, this allows to construct meta-GGAs that adhere to the known exact constraints, yet have new properties. We demonstrate this with the construction of a meta-GGA that describes both electronic bonds and band gaps with remarkable accuracy.

Balancing the Contributions to the Gradient Expansion: Accurate Binding and Band Gaps with a Nonempirical Meta-GGA

Timo Lebeda et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136402 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136402

基于二维过渡金属二硫化物（TMDs）的莫尔超晶格已经成为探索关联拓扑电子相的通用且富有成果的平台。最近在零磁场下发现的分数量子反常霍尔效应是其中最显著的例子之一。在本文中，Xie等提出了一个可容纳长寿命激子（TMD半导体中无处不在的玻色子激发）的最小结构，它具有窄拓扑波色能带。这种非平庸的激子拓扑来源于莫尔层间激子的杂化，可通过转角角度和电场调控。在较小的扭转角下，最低激子带与较高能量带分离开来，从而在固态中实现了具有拓扑平带的玻色Kane-Mele模型，这有可能支持玻色型的分数量子反常霍尔效应。  

（冯盼君）

Long-Lived Topological Flatband Excitons in Semiconductor Moiré Heterostructures: A Bosonic Kane-Mele Model Platform

Ming Xie et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136403 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136403

The phase diagrams of quasi two-dimensional organic superconductors display a plethora of fundamental phenomena associated with strong electron correlations, such as unconventional superconductivity, metal-insulator transitions, frustrated magnetism and spin liquid behavior. We analyze a minimal model for these compounds, the Hubbard model on an anisotropic triangular lattice, using cutting-edge quantum embedding methods respecting the lattice symmetry. We demonstrate the existence of unconventional superconductivity by directly entering the symmetry-broken phase. We show that the crossover from the Fermi liquid metal to the Mott insulator is associated with the formation of a pseudogap. The predicted momentum-selective destruction of the Fermi surface into hot and cold regions provides motivation for further spectroscopic studies. Our theoretical results agree with experimental phase diagrams of κ-BEDT organics.

Superconductivity and Mott Physics in Organic Charge Transfer Materials

Henri Menke et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136501

Non-Hermiticity enables macroscopic accumulation of bulk states, named non-Hermitian skin effects. The non-Hermitian skin effects are well established for single-particle systems, but their proper characterization for general systems is elusive. Here, we propose a general criterion of non-Hermitian skin effects, which works for any finite-dimensional system evolved by a linear operator. The applicable systems include many-body systems and network systems. A system meeting the criterion exhibits enhanced non-normality of the evolution operator, accompanied by exceptional characteristics intrinsic to non-Hermitian systems. Applying the criterion, we discover a new type of non-Hermitian skin effect in many-body systems, which we dub the Fock space skin effect. We also discuss the Fock space skin effect-induced slow dynamics, which gives an experimental signal for the Fock space skin effect.

General Criterion for Non-Hermitian Skin Effects and Application: Fock Space Skin Effects in Many-Body Systems

Kenji Shimomura et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136502 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136502

In this Letter, we investigate the fate of the non-Hermitian skin effect in one-dimensional systems that conserve the dipole moment and higher moments of an associated global U(1) charge. Motivated by field theoretical arguments and lattice model calculations, we demonstrate that the key feature of the non-Hermitian skin effect for m-pole conserving systems is the generation of an (m+1)th multipole moment. For example, in contrast to the conventional skin effect where charges are anomalously localized at one boundary, the dipole-conserving skin effect results in charges localized at both boundaries, in a configuration that generates an extremal quadrupole moment. In addition, we explore the dynamical consequences of the m-pole skin effect, focusing on charge and entanglement propagation. Both numerically and analytically, we provide evidence that long-time steady states have Fock-space localization and an area-law scaling of entanglement entropy, which serve as quantum indicators of the skin effect.

Many-Body Non-Hermitian Skin Effect for Multipoles

Jacopo Gliozzi et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136503 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136503

The interplay of topological electronic band structures and strong interparticle interactions provides a promising path towards the constructive design of robust, long-range entangled many-body systems. As a prototype for such systems, we here study an exactly integrable, local model for a fractionalized topological insulator. Using a controlled perturbation theory about this limit, we demonstrate the existence of topological bands of zeros in the exact fermionic Green’s function and show that in this model they do affect the topological invariant of the system, but not the quantized transport response. Close to (but prior to) the Higgs transition signaling the breakdown of fractionalization, the topological bands of zeros acquire a finite “lifetime.” We also discuss the appearance of edge states and edge zeros at real space domain walls separating different phases of the system. This model provides a fertile ground for controlled studies of the phenomenology of Green’s function zeros and the underlying exactly solvable lattice gauge theory illustrates the synergetic cross pollination between solid-state theory, high-energy physics, and quantum information science.

Topological Green’s Function Zeros in an Exactly Solved Model and Beyond

Steffen Bollmann et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136504 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136504

声学中的非互易性在许多实际应用中都至关重要，且已通过非线性介质、运动流体或时间调制等方法在实验中实现，但令人遗憾的是，它们存在体积大、功耗高、难以集成以及不可避免的振动或相位噪声等问题。在这里，Zhang等基于非对称Peierls相提出一个设计非互易声学器件的框架，这种器件可通过有源声学元件进行完全控制。完全受控的Peierls相可实现各种高性能声学设备，包括隔离器、回旋器和环形器的非厄米扩展，这在以往受厄米性或被动性约束的方法中是不可能实现的。他们发现，隔离器的传输相位等于Peierls相位加上一个常数。 回旋器中的非互易相位延迟和环行器中的单旋转传输行为，都源于由Peierls相决定的规范不变的AB相位。该工作不仅揭示了与Peierls相相关的多种有趣的物理现象，还为紧凑、可集成的非互易声学设备提供了一种通用方法。

（冯盼君）

Nonreciprocal Acoustic Devices with Asymmetric Peierls Phases

Li Zhang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136601

Yang等提出了一种新途径，即与临界相变密切相关的渗滤也可以通过打破 PT 对称性来决定非厄米系统的渐近动力学。它的核心是新设计的拓扑引导增益机制，即拓扑系统中的手性边缘波包根据拓扑导向的方式经历非厄米增益或损耗。对于足够宽的拓扑岛，由于层间隧道的正反馈，会导致不可逆生长。 因此，将小拓扑岛合并成大拓扑岛的渗滤转变也会推动边缘谱从实到复的转变。该工作展示了手性拓扑、定向增益和层间隧道三者相互作用所产生的有趣的动态结果，并为利用拓扑控制反馈系统提出了新的途径。 

（冯盼君）

Percolation-Induced PT Symmetry Breaking

Mengjie Yang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136602 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136602

[编辑推荐]自旋与环境的相互作用被模拟为谐振子热浴，通常会在其动力学中产生惯性。

自旋动力学通常被描述为无质量或更精确地讲，是无惯性。然而，最近在实验上发现了惯性自旋动力学的直接证据。因此，有必要重新思考自旋动力学的基本原理。Quarenta 等关注环境（热浴）中的宏自旋，表明自旋与热浴的耦合会产生自旋惯性。这个热浴诱导的自旋惯性普遍存在于所有高频热浴模式中，该结果或许能为最近的自旋惯性实验提供新的见解。此外，这些结果还表明，任何自旋耗散的通道都应伴随着一个热浴诱导自旋惯性的项。作为一个示例，他们考虑了YIG/GGG 叠层中声子—热浴诱导的自旋惯性。

（冯盼君）

Bath-Induced Spin Inertia

Mario Gaspar Quarenta et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136701 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136701

Magnetic resonance dynamics has been studied for a polar magnet VOSe₂O₅ , which hosts several nontrivial magnetic phases including Néel-type skyrmion lattice (SkL). In both cycloidal and SkL spin states, two excitation modes active to oscillating magnetic field B_ν⟂c and one mode active to B_ν∥c are identified. The subsequent micromagnetic simulations well reproduce the observed selection rules and relative resonance frequencies, which allows the unambiguous assignment of the spin oscillation manner for each mode. Interestingly, the IC-2 phase with a potential double-q character was found to host similar excitation modes as the SkL state. We also discovered the existence of the novel B’ phase with four modes active to B_ν⟂c . The present results provide a fundamental basis for the comprehensive understanding of resonant spin dynamics in polar magnets, and highlight VOSe₂O₅ as a unique material platform to host a rich variety of nontrivial spin excitations.

Exotic Spin Excitations in a Polar Magnet VOSe₂O₅

Tomonao Araki et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136702 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136702

受三角晶格双层钴酸盐K₂Co₂(SeO₃)₃实验的启发，Chen考虑了一个扩展的XXZ模型来探索其基本物理原理。该模型由三角晶格中相互作用的Co²⁺二聚体组成，其中Co²⁺离子通过自旋轨道耦合和晶体场效应提供了一个有效自旋-1/2局域磁矩。二聚体内相互作用占主要地位，会简单地偏向于局域自旋单态，而二聚体间的相互作用会与二聚体间的相互作用竞争，从而导致丰富的行为。研究表明，在易轴各向异性的作用下，在二聚体内伊辛相互作用的基态流形中，系统实现了有效的量子伊辛模型，其中基态要么是具有反铁磁性伊辛有序和价键自旋单态混合的三子晶格有序，要么是伊辛无序。有限温情况下实现了BKT物理。为了探索完全激发，作者将激发态流形纳入了二聚体内的伊辛相互作用，并建立了新兴的Kugel-Khomskii物理。因此，三角晶格双层钴酸盐是探索几何阻挫和各向异性相互作用之间的相互作用以及新兴有效模型和由此产生的物理的绝佳平台。 

（冯盼君）

Emergent Berezinskii-Kosterlitz-Thouless and Kugel-Khomskii Physics in the Triangular Lattice Bilayer Colbaltate

Gang V. Chen

Phys. Rev. Lett. 133, 136703 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136703

Microscopic origins of charge currents and electromagnetic (EM) radiation generated by them in spintronic THz emitters—such as, femtosecond laser pulse-driven single magnetic layer or its heterostructures with a nonmagnetic layer hosting strong spin-orbit coupling (SOC)—remain poorly understood despite nearly three decades since the discovery of ultrafast demagnetization. We introduce a first-principles method to compute these quantities, where the dynamics of charge and current densities is obtained from real-time time-dependent density functional theory, which are then fed into the Jefimenko equations for properly retarded electric and magnetic field solutions of the Maxwell equations. By Fourier transforming different time-dependent terms in the Jefimenko equations, we unravel that in the 0.1–30 THz range the electric field of far-field EM radiation by the Ni layer, chosen as an example, is dominated by charge current pumped by demagnetization, while often invoked magnetic dipole radiation from the time-dependent magnetization of a single magnetic layer is a negligible effect. Such an effect of charge current pumping by a time-dependent quantum system, whose magnetization is shrinking while its vector does not rotate, does not require any spin-to-charge conversion via SOC effects. In the Ni/Pt bilayer, EM radiation remains dominated by the charge current within the Ni layer, whose magnitude is larger than in the case of a single Ni layer due to faster demagnetization, while often invoked spin-to-charge conversion within the Pt layer provides an additional but smaller contribution. By using the Poynting vector and its flux, we also quantify the efficiency of conversion of light into emitted EM radiation, and its angular distribution.

Origins of Electromagnetic Radiation from Spintronic Terahertz Emitters: A Time-Dependent Density Functional Theory plus Jefimenko Equations Approach

Ali Kefayati et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136704 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136704

Yao等研究了存在奇异的反幺正平移或反演（包括时间反演）对称性的量子多体系统。基于对称扭转方法和频谱鲁棒性，他们提出，除了离散的Z₂×Z₂全局自旋旋转对称性之外，遵循这两个反幺正晶体对称性中任何一个的半整数自旋链必须是无间隙的，或者具有简并的基态。这就解释了Lieb-Schultz-Mattis 定理及其已知扩展没有指出的一类手性自旋模型的无间隙性。此外，他们还提出了具有最小生成元集的对称类，这些生成元集给出了非平庸的Lieb-Schultz-Mattis型约束，这是由二维对称保护拓扑相的体边关系以及晶格同构所论证的。他们从自旋旋转对称性和磁空间群之间的相互作用中探测一维量子磁体的无间隙性的结果，适用于具有更广泛自旋相互作用类别的系统，包括Dzyaloshinskii-Moriya和三直积相互作用。

（冯盼君）

Lieb-Schultz-Mattis Theorem for 1D Quantum Magnets with Antiunitary Translation and Inversion Symmetries

Yuan Yao et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136705 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136705

屏蔽是一种普遍存在的现象，通过这种现象，束缚电荷或移动电荷的极化往往会降低材料内部的电场强度。在这里，Xiong等人展示了如何利用光激发作为旋钮，将多层石墨烯中传统的平面外屏蔽转变为反屏蔽--电场放大。他们发现，通过改变光激发强度，可以进入多种非平衡屏蔽状态，包括接近零屏蔽、反屏蔽和过屏蔽（反向电场）。引人注意的是，在适度的连续波光激发强度下，非平衡极化态变成多稳态，即使在名义上反转对称的堆栈中没有外部施加位移场的情况下，也能保持具有非消失面外极化（和带隙）的光诱导铁电稳态。这种丰富的现象揭示了一种新的动态量子物质范式，期待它能带来各种非平衡破缺对称相。 

（冯盼君）

Antiscreening and Nonequilibrium Layer Electric Phases in Graphene Multilayers

Ying Xiong, Mark S. Rudner, and Justin C. W. Song

Phys. Rev. Lett. 133, 136901 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136901

以前的实验分别提供了二维材料中滑移铁电性和光激发层间剪切位移的证据。在这里，Yang等人发现在激光照射下，h-BN双层可以在惊人的0.5 ps内实现垂直铁电极化的完全逆转。综合分析表明，铁电极化切换源于由多个声子的选择性激发引起的激光诱导层间滑移。从上层N原子的p_z轨道到下层B原子的p_z轨道的层间电子激发产生了理想的定向层间力，激活了面内光学TO-1和LO-1声子模式。由TO-1和LO-1模式耦合驱动的原子运动与铁电软模式相干，从而调节了动态势能面，导致超快铁电极化反转。此研究为滑移铁电中的超快极化转换提供了新的微观视角。

（冯盼君）

Light-Induced Complete Reversal of Ferroelectric Polarization in Sliding Ferroelectrics

Qing Yang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 136902 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136902

Piezoelectric and ferroelectric technologies are currently dominated by perovskite-based ceramics, not only due to their impressive figures of merit, but due to their versatility in size and shape. This allows the dimensions of, for example, lead zirconium titanate and potassium sodium niobate, to be tailored to the needs of thousands of applications across the automotive, medical device, and consumer electronics industries. In this Letter, we significantly advance the performance and customization of biomolecular crystal (nontoxic, biocompatible amino acids, viz., trans-4-hydroxy-L-proline, L-alanine, hydrates of L-arginine and L-asparagine, and γ-glycine) assemblies by growing them as molded, substrate-free piezoelectric elements. This methodology allows for electromechanical properties to be embedded in these assemblies by fine-tuning the chemistry of the biomolecules and thus the functional properties of the single crystal space group. Here, we report the piezoelectric, mechanical, thermal, and structural properties of these amino acid-based polycrystalline actuators. This versatile, low-cost, low-temperature growth method opens up the path to phase in biomolecular piezoelectrics as high-performance, eco-friendly alternatives to ceramics.

Molded, Solid-State Biomolecular Assemblies with Programmable Electromechanical Properties

Krishna Hari, Tara Ryan, Suman Bhattacharya, and Sarah Guerin

Phys. Rev. Lett. 133, 137001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.137001

[编辑推荐] 通过构造一族多体量子系统，论证了多体局域化的存在性，其中每个低能本征态都是局域化的。

作者证明了具有少体相互作用和多体迁移率边的广延多体哈密顿量的存在:所有低于非零能量密度的本征态都局域于希尔伯特空间中“能量允许构型”的指数级小的部分中。作者的构造是基于一个经典的低密度宇称校验码的量子微扰。原则上，可以通过测量有效制备的混合态中的少体关联函数来检测这种本征态局域化。 

(谭宇涛)

Eigenstate Localization in a Many-Body Quantum System

Chao Yin, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 137101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.137101

[Featured in Physics] [编辑推荐]解密果蝇大脑的蓝图：研究人员利用果蝇大脑的突触级图来研究神经元连接概率如何随距离而变化，从而深入了解这些神经元网络如何在空间约束内优化功能。

Zhang等人研究了不同发育阶段果蝇的突触分辨率连接组，揭示了神经元连接概率相对于空间距离的一致标度律。这种幂律行为与之前在粗粒度大脑网络中观察到的指数距离规则有显著不同。作者证明几何标度律具有功能意义，与信息通信的最大熵和平衡整合与分离的功能临界性相一致。扰乱经验概率模型的参数或类型会导致这些有利特性的丧失。此外，作者推导出神经元连通性的明确定量预测因子，仅包含神经元间距离和神经元的进出度。作者的研究结果建立了大脑几何结构和拓扑结构之间的直接联系，有助于理解大脑如何在其约束空间内最佳运作。

Geometric Scaling Law in Real Neuronal Networks

Xin-Ya Zhang, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 138401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.138401

定向化学传感在细胞生物学中无处不在，但某些细胞（例如交配酵母）会自相矛盾地衰减它们想要检测的信号。虽然数据处理不等式表明这种信号修改不能增加传感信息，但使用反应扩散模型和精确可解的离散状态减少LeFebre等人表明它可以。作者在信息链中确认了一个非马尔可夫步骤，允许系统避开数据处理不等式，反映了扩散的非局域本质。作者的结果适用于任何衰减与扩散耦合的传感系统。实验数据表明，交配酵母在衰减改善传感的有益状态下运行。

Role of Signal Degradation in Directional Chemosensing

Ryan LeFebre, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 138402 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.138402

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