PRL导读-2024年132卷20期

在经典体系中，热力学状态的转变由自由能控制，这也被称为热力学第二定律。 之前的研究表明，当我们忽略相干性时，使用催化系统可以在量子体系中还原出第二定律。 然而，在量子体系中，相干性和自由能是两种独立的资源。 因此，相干性会对状态转变施加额外的非平凡的限制，这些限制仍然难以捉摸。 为了弥补这一空白，Kondra等人将相干性的性质分离出来研究，即假设存在一个提供自由能的源。他们证明，如果除了自由能源之外还有催化作用的话，则能任意地放大量子态中存在的任何量子相干性。 此外，系统和催化剂之间的任何关联都能被任意地抑制。 本文结果为形成完全一般的量子热力学定律提供了关键一步。

（赵秀花）

Coherence Manipulation in Asymmetry and Thermodynamics

T. V. Kondra, R. Ganardi, and A. Streltsov

Phys. Rev. Lett. 132, 200201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.200201

不确定性关系是量子力学的基本特征。那么，如何系统地找到这些关系呢？在这篇文章中，Morán和Huber开发了一个半正定规划层次结构，用于非对易可观测量方差的加性不确定性关系。该层次结构基于态的多项式优化框架，也称为纯量扩张。该层次结构是完备的，因为它收敛于紧的不确定性关系。作者改进了涉及多达9个算符的目前尚不清楚其紧界限的所有1292个加性不确定性关系的上界。这些界限不依赖于维度，而完全取决于算符之间的代数关系。这些技术适用于包括泡利算符、海森堡-外尔算符和费米子算符在内的多种情境，并可推广到高阶矩和乘性不确定性关系。

（赵秀花）

Uncertainty Relations from State Polynomial Optimization

M. B. Morán and F. Huber

Phys. Rev. Lett. 132, 200202 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.200202

Gaikwad等人利用超导量子比特处理器来实验探测一对纠缠量子比特的非马尔可夫动力学。研究人员在两个量子比特之间制备了一个纠缠态，并监测当其中一个量子比特与一个小型量子环境相互作用时纠缠随时间的演化，该环境由一个与其读出腔相耦合的辅助传输子(transmon)量子比特组成。他们观察到了纠缠的崩塌和复原，这是环境中的量子记忆效应的标志。然后，他们通过向读出腔中填充热光子来调控环境的非马尔可夫性，展示了从非马尔可夫动力学到马尔可夫动力学的转变，最终达到了由量子芝诺效应创建出无退相干子空间的状态，从而有效地稳定了量子比特之间的纠缠。

（赵秀花）

Entanglement Assisted Probe of the Non-Markovian to Markovian Transition in Open Quantum System Dynamics

C. Gaikwad, D. Kowsari, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 200401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.200401

Su等人旨在解决以下问题：如果从一个具有自发破缺的高级对称性的量子态开始，那么在弱局部量子测量下，系统的命运是什么？作者们证明了在一定条件下，相变可以由弱测量驱动，这抑制了1-形式对称性的自发破缺，并削弱了1-形式对称性电荷涨落。他们使用对偶性工具分析了跃迁的性质，并证明了一些由弱测量驱动的跃迁具有自对偶性的固定点。

(李元朋)

Higher-Form Symmetries under Weak Measurement

K. Su, N. Myerson-Jain, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 200402 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.200402

如果热浴是强耦合的，那么处理非马尔可夫开放量子系统的长期动力学是一项具有挑战性的任务。最近的研究提议用张量网络表示所谓的过程张量来解决这个问题。Link等人表明，对于高斯环境，可以通过无限MPO演化方法实现向矩阵乘积算子（MPO）形式的高效收缩，从而大大加快了现有提议的计算速度。结果在结构上类似于具有精心设计的辅助自由度的开放系统演化，如分层或伪模方法。然而，在这里，这些自由度是由 MPO 演化算法自动生成的。此外，所得传播子的半群形式能够探索稳态物理，例如相变。

(李元朋)

Open Quantum System Dynamics from Infinite Tensor Network Contraction

V. Link, H. Tu, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 200403 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.200403

[Editors’ Suggestion] Quantum fully homomorphic encryption is shown to be feasible on a compact silicon photonic chip, improving the prospects of a scalable, programmable, and stable quantum network infrastructure.

完全同态加密系统可以对加密数据进行计算，而无需事先解密。这有助于无缝建立安全的量子通道，桥接服务器和客户端组件，从而为客户端提供对服务器执行量子操作的大量计算能力的安全访问。然而，传统的同态加密系统缺乏可扩展性、可编程性和稳定性。Li等人通过实验演示了在紧凑型量子芯片上实现同态加密方案的概念验证，验证了使用光子芯片进行量子同态加密的可行性。作者们的工作不仅为电路扩展提供了解决方案，解决了长期存在的可扩展性挑战，同时显着减小了量子网络基础设施的规模，而且还为开发高度复杂的量子全同态加密系统奠定了基础。

(李元朋)

Experimental Quantum Homomorphic Encryption Using a Quantum Photonic Chip

Y. Li, L. Cao, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 200801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.200801

涨落的关联对于理解多体系统和推进量子技术至关重要。为了全面地描述一个物理系统的动力学，需要知道所有的时序关联，即一套动力学完备的关联集合。目前的测量技术只能获取有限的一组时序关联，至今还没有系统的、可行的方案能够提取动力学完备的关联集合。在这篇文章中，Wu等人提出了一种各平台通用的协议，利用量子通道选择性地测量任意类型的时序关联。在他们的方法中，量子通道是通过可控物理过程合成的，可以控制传感器-目标系统沿着对应于所需关联的特定路径的演化。利用核磁共振技术，研究人员实验验证了该协议，测量到了一种之前从未获取过的四阶时序关联。他们还表明，对时序关联的了解可以用于显著提高量子最优控制的精度。该方法为表征量子多体态和量子噪声提供了一个新的工具箱，从而推动了量子传感和量子计算领域的发展。

（赵秀花）

Selective Detection of Dynamics-Complete Set of Correlations via Quantum Channels

Z. Wu, P. Wang, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 200802 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.200802

暗物质与重子的能量密度近似相等是值得注意的，尤其是重子质量以维度变化的形式指数依赖于UV参数。作者研究了一种新的动力学机制，其中存在任意数密度的重子与暗物质，它是一个调整暗物质与重子的质量使两个能量密度可比拟的标量。此方案中，上述一致性可以得到解释，而无关暗物质的微观实质和产生过程。这一新标量会导致一系列观测效应，比如新的力以及（暗）物质密度依赖的质子质量。

Dynamical Explanation of the Dark Matter and Baryon Energy Density Coincidence

Dawid Brzeminski and Anson Hook

Phys. Rev. Lett. 132, 201001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.201001

宇宙学提供了独立于暗物质和标准模型相互作用的探测暗物质的机会。作者研究了仅作用在星系分布暗区的长程力的印迹，也就是所谓的大尺度结构（LSS）。作者结合Planck与BOSS的数据，得到了对此种力的最强约束。沿此方法，作者首次在暗区新动力学存在下得到了LSS的有效场论。作者预期未来的研究会将现有约束提升一个数量级。

Unveiling Dark Forces with Measurements of the Large Scale Structure of the Universe

Salvatore Bottaro, Emanuele Castorina and et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 201002 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.201002

在更高维度中，最简单的非可逆对称性例子之一出现在4维Maxwell理论中，其SL(2, Z)对偶群可以与其电磁1-形式对称性的子群规约结合，在不同耦合值下产生这样的缺陷。尽管𝑁=4超对称杨-米尔斯（SYM）理论也具有SL(2, Z)对偶群，但它似乎只与Maxwell理论共享两种此类非可逆缺陷（称为对偶和三重对称缺陷）。受这种表面差异的启发，作者通过研究4维𝑁=4 U(1)规范理论的情况来探讨这些对称性的命运，其中包含Maxwell理论的内容。作者发现，当结合对自由费米子作用的标准U(1)对称性时，Maxwell理论的非可逆缺陷会导致对局部算子如𝑁=4超共形代数的U(1)外自同构元素的作用，这种操作在过去被称为“额外对称性”。对于𝑁=4 SYM理论的非阿贝尔情况，额外对称性并不是理论的精确对称性，但已知在超重力极限下会出现。基于这一观察，作者研究了这个极限并表明，如果以某种方式取这个极限，实现额外对称性不同元素的非可逆缺陷会作为近似对称性出现，类似于阿贝尔情况。

Emergent Noninvertible Symmetries in 𝒩=4 Supersymmetric Yang-Mills Theory

Orr Sela

Phys. Rev. Lett. 132, 201601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.201601

作者研究了在费曼积分中出现的几何结构，这些积分对后闵可夫斯基（PM）展开中的黑洞散射有贡献。这些几何结构通过经典保守势对双星合并产生的引力波变得相关。在4PM时，一个三环积分中已知会出现一个K3曲面，导致结果中出现椭圆积分。在这篇文章中，作者在一个四环积分中识别出一个Calabi-Yau三维复形，对5PM有贡献。这个Calabi-Yau几何结构的存在表明，在完整的解析结果中会出现全新的函数。

Calabi-Yau Meets Gravity: A Calabi-Yau Threefold at Fifth Post-Minkowskian Order

Hjalte Frellesvig, Roger Morales, and Matthias Wilhelm

Phys. Rev. Lett. 132, 201602 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.201602

作者计算了大动量转移下π介子电磁形状因子的次次领先阶（NNLO）QCD辐射修正。作者明确验证了对该观测量到两圈阶的共线因子化的有效性，并获得了各自的红外有限两圈硬散射核的封闭形式。结果表明，NNLO QCD修正是正的且显著的。结合这一新的修正成分，作者随后对比了最精细的理论预测与大量时空样π介子形状因子的实验数据。作者的唯像分析对从最近的格点QCD研究中获得的π介子光锥分布振幅的第二 Gegenbauer 矩提供了强有力的约束。

Next-to-Next-to-Leading-Order QCD Corrections to Pion Electromagnetic Form Factors

Long-Bin Chen, Wen Chen, Feng Feng, and Yu Jia

Phys. Rev. Lett. 132, 201901 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.201901

We report a lattice QCD study of the heavy-light meson-meson interactions with an explicitly exotic flavor content    , isospin 𝐼=0, and axial-vector 𝐽^𝑃=1⁺ quantum numbers in search of possible tetraquark bound states. The calculation is performed at four values of lattice spacing, ranging from ∼0.058 to ∼0.12  fm, and at five different values of valence light quark mass 𝑚_𝑢/𝑑, corresponding to pseudoscalar meson mass 𝑀ps of about 0.5, 0.6, 0.7, 1.0, and 3.0 GeV. The energy eigenvalues in the finite volume are determined through a variational procedure applied to correlation matrices built out of two-meson interpolating operators as well as diquark-antidiquark operators. The continuum limit estimates for    elastic 𝑆-wave scattering amplitude are extracted from the lowest finite-volume eigenenergies, corresponding to the ground states, using amplitude parametrizations supplemented by a lattice spacing dependence. Light quark mass 𝑚_𝑢/𝑑 dependence of the    scattering length (𝑎₀) suggests that at the physical pion mass   , which clearly points to an attractive interaction between the    and    mesons that is strong enough to host a real bound state 𝑇_𝑏𝑐, with a binding energy of    with respect to the    threshold. We also find that the strength of the binding decreases with increasing 𝑚_𝑢/𝑑 and the system becomes unbound at a critical light quark mass 𝑚^*_𝑢/𝑑corresponding to 𝑀^*_ps=2.73(21)(19)  GeV.

Bound Isoscalar Axial-Vector    Tetraquark 𝑇_𝑏𝑐 from Lattice QCD Using Two-Meson and Diquark-Antidiquark Variational Basis

M. Padmanath, Archana Radhakrishnan, and Nilmani Mathur

Phys. Rev. Lett. 132, 201902 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.201902

净重子数和电荷之间的关联，𝜒^BQ₁₁，可以作为QCD的磁强计。通过使用具有物理π介子质量𝑀_𝜋=135 MeV的高度改进的交错夸克，在𝑁_𝜏=8和12晶格上的格点QCD计算证明了这一点。作者发现，沿着相变线的𝜒^BQ₁₁在磁场强度𝑒𝐵≳2𝑀_𝜋²时开始迅速增加，并在𝑒𝐵≃8 𝑀_𝜋²时增加了2倍。此外，电荷化学势与重子化学势的比率𝜇_Q/𝜇_B显示出对磁场强度的显著依赖性，并且与重离子碰撞中碰撞核中的电荷与重子数之比有所不同。这些结果可以为有效理论和模型研究提供基准，并且𝜒^BQ₁₁和𝜇_Q/𝜇_B都可以作为在相对论重离子碰撞实验中检测磁场的有用探针，与强子共振气体模型的相应结果进行比较。

Baryon Electric Charge Correlation as a Magnetometer of QCD

H.-T. Ding, J.-B. Gu, A. Kumar, S.-T. Li, and J.-H. Liu

Phys. Rev. Lett. 132, 201903 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.201903

重味夸克之间的角关联为极端相对论重离子碰撞中产生的夸克-胶子等离子体提供了独特的探针。ATLAS合作组报道了大型强子对撞机（LHC）上，能量为5.02 TeV的Pb + Pb和pp碰撞中产生的、起源于重夸克半轻子衰变的缪子之间的方位角关联测量结果。他们测量了动量和赝快度分别为p^μ_T > 4 GeV和 |η^μ| > 2.4的缪子。在不同的Pb + Pb中心度间隔内，测量了赝快度分离为|Δη| > 0.8的缪子对的方位角分离Δφ的分布，并将其与相同质心能量下pp碰撞中的相同分布进行了比较。他们分别给出了具有相反符号电荷的缪子对、相同符号电荷的缪子对以及所有缪子对的结果。对于所有的Δφ分布，均在Δφ约为π的位置观测到了清晰的分布峰，这与硬散射过程中产生的初态重夸克对一致。他们使用柯西-洛伦兹函数拟合Δφ的分布，给出了峰的宽度，发现峰的宽度并不会随着Pb + Pb碰撞中心度的改变而发生显著的变化，且与pp碰撞中结果类似。这一观测结果将为重夸克与夸克-胶子等离子体相互作用的理论描述提供重要的约束。

Azimuthal Angle Correlations of Muons Produced via Heavy-Flavor Decays in 5.02 TeV Pb + Pb and pp Collisions with the ATLAS Detector

G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 132, 202301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.202301

[编辑推荐]对于通过“i过程”合成元素的恒星，其镧元素产生相关的实验测量表明，合成的镧元素比模型预测的要少。

新的天文观测指向了一种超越刚被人们接受的核合成图像。为了解释贫金属星中观测到的一些反常的丰度分布，人们提出了中间“i”过程。与i过程相关的最重要的核物理性质是中子俘获截面，但是这些截面几乎都是实验未知的。Spyrou等人首次从实验上约束了¹³⁹Ba(n,γ)¹⁴⁰Ba反应的反应率，该反应速率是产生i过程条件的关键指标，即镧系元素的最主要的不确定性来源。他们的结果朝着确定具有i过程特征的确切恒星天体物理场所迈出了重要一步。

First Study of the ¹³⁹Ba(n,γ)¹⁴⁰Ba Reaction to Constrain the Conditions for the Astrophysical i Process

A. Spyrou et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 202701 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.202701

作者报道了正电子素负离子的各向异性光解离，然后用线偏振激光解离成p波电子和正电子原子。 作者观察到光电子对解离的正电子原子的平动动量产生了强烈的反冲效应。 通过偏振角分辨测量，确定离子在1.165 eV光子能量下的光发射角分布的不对称参数为1.97±0.04(stat)±0.07(syst)，与理论预测一致。 该方法可用于探索奇异粒子系统未揭示的解离动力学及其在偏振光下的操控。

Anisotropic Photodetachment of Positronium Negative Ions with Linearly Polarized Light

Koji Michishio, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 203001 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.203001

俄歇电子能谱是基础研究和许多应用科学领域中常用的实验工具。确定俄歇电子的动能可给出关于发射电子的元素及其发射时的化学环境信息。在此，本文提出了一种基于电子-电子-电子和电子-电子-光子的符合光谱学的实验方法来确定正基本电荷附近发射极位置的俄歇光谱。作者观察到由于与带电环境的库仑相互作用引起的俄歇光谱的特征红移。作者的结果与解释大分子、团簇、液体和固体等扩展系统的俄歇光谱有关，特别是在当今常规可用的高强度辐射场中，例如 X 射线自由电子激光设施。目前文献中大多忽略了这种效应，导致一些对团簇的俄歇光谱的解释可能需要重新审视。

Experimental Realization of Auger Decay in the Field of a Positive Elementary Charge

Andreas Hans, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 203002 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.203002

谐振器里涨落中的光子与量子位的非共振相互作用提高了量子位元的退相干速率。作者通过利用这种效应来测量受相干或热驱动的腔内光子的小平均数。对于光谱分辨率，作者将量子位暴露于 Carr-Purcell-Meiboom-Gill 序列，记录量子位π脉冲之间不同周期的量子位退相干速率。对非高斯噪声区间在谐振器色散位移与衰减率为任意比值下，作者利用推导的光子诱导退相干速率公式对记录的数据进行分析。作者显示所提出的 Carr-Purcell-Meiboom-Gill 退相干速率公式与实验结果非常吻合，演示了在几个 10⁻⁴ 的水平上对热光子和相干光子布居的测量。

Measurement of Small Photon Numbers in Circuit QED Resonators

Juan Atalaya, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 203601 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.203601

在振荡器中具有明确定义光子数的Fock态在量子信息科学中显示出广泛的应用。然而，因为环境耗散导致单光子和多光子损耗不可避免，它们的实用性受到影响。虽然已经发展了几种耗散调控方法来抵消主要的的单光子损耗误差，但避免多光子损耗仍然难以捉摸。 在这里，作者通过实验演示了一种耗散调控方法，使用超导量子电路中的级联选择性光子递增操作，可自主稳定多光子 Fock 态，防止多光子损失。 通过测量振子态的光子数布局数和Wigner层析成像，作者观察到N=1,2,3的稳定Fock态|N⟩的非经典Wigner负性，持续时间延长至约10毫秒。 此外，本文演示的耗散调控方法还有助于实现复位二项式编码逻辑量子位的非酉运算。 这些结果突显了针对多光子损失误差的可纠错量子信息处理的潜在应用。

Autonomous Stabilization of Fock States in an Oscillator against Multiphoton Losses

Sai Li, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 203602 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.203602

简谐振子属于物理学中最基本的概念，是当前许多研究领域的核心，如电路QED、腔光力学和光子压力系统。在这里，作者在超导LC电路中设计一种微波模式，该模式模拟负质量振荡器的动力学，并通过光子压力将其耦合到第二个低频电路。作者证明有效负质量动力学导致动力学反作用的反转和蓝失谐泵浦场对低频电路的边带冷却，这可以直观地理解为负质量振荡器的反向能级。

Photon Pressure with an Effective Negative Mass Microwave Mode

I. C. Rodrigues, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 203603 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.203603

非厄米系统可以表现出独特的没有任何厄米对应的量子相位。例如，最新的理论研究预测了一种令人惊讶的新现象，即体带可以在系统边界处明显地出现和消散，这被称为非厄米边缘爆发效应。在这里，作者通过光子量子游走实现了具有体平移对称性的一维非厄米 Su-Schrieffer-Heeger 晶格。利用时间分辨单光子探测表征体带的手性运动和边界定域化，作者通过实验确定非厄米边缘爆发效应背后的动力学是由于非厄米趋肤效应和虚带隙闭合之间的相互作用。这种新的非厄米物理效应加深了人们对开放量子系统中量子动力学的理解。

Observation of Non-Hermitian Edge Burst Effect in One-Dimensional Photonic Quantum Walk

Jiankun Zhu, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 203801 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.203801

作者通过解析方法推导了零压力梯度湍流边界层（ZPGTBL）的下游演变，包括边界层厚度和摩擦速度。利用李群（Lie groups）推导下游演变，并获取了完整的相似性变量集和领先阶的相似性方程。使用匹配渐近展开法获得了一个近似的领先阶解。讨论了ZPGTBL与湍流通道流在相似性方程方面的相似性和差异，以支持近壁层领先阶普遍性的概念。

（邱仲普）

Boundary Layer Thickness and Friction Velocity by Symmetry Arguments

Chenning Tong

Phys. Rev. Lett. 132, 204001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.204001

许多由多个鞭毛驱动的真核微生物能够以不同的步态快速游泳。我们模拟了一个三维的多鞭毛游泳者，类似于微藻。当鞭毛同步激活时，通过鞭毛之间的流体动力相互作用（HIs），可以增强或减少游泳效率，这取决于鞭毛的内在倾斜角度。通过基部机械耦合，邻近鞭毛之间的相位差的异步步态可以减少振荡运动。在存在球形体的情况下，考虑到鞭毛与体的相互作用的模拟揭示了前部配置与后部配置相比的优势，在后者情况下出现了最佳的鞭毛数量。除了理解HIs在多鞭毛微生物中的作用外，这项工作还可以指导实验室制造新型微游泳者。

（邱仲普）

Multiflagellate Swimming Controlled by Hydrodynamic Interactions

Shiyuan Hu and Fanlong Meng

Phys. Rev. Lett. 132, 204002 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.204002

[Editors’ Suggestion] As a crucial validation for the forthcoming electron-ion collider (EIC), an experiment at the RHIC demonstrates the ability to prepare and collide ion beams with emittance ratio of 11:1.

拟在Brookhaven国家实验室建设的电子-离子对撞机（EIC），将实现极化高能电子束与强子束碰撞，在20-140 GeV的质心能量范围内获得高达1.0×10³⁴  cm^-2 s^-1的亮度。为了实现如此高的亮度，EIC将在相互作用点处采用小而平的束团。在EIC的强子储存环中，水平与垂直发射度之比约为11:1。相比之下，在以往或现有的强子对撞机中，水平和垂直发射度通常是相似或十分接近的。在相对论重离子对撞机（RHIC）上的实验证明，金离子束在粒子能量为100 GeV/核子时的大横向发射比为11:1，这得益于随机冷却和精细解耦。此外，在RHIC上首次演示了具有3:1的横束尺寸比的平束碰撞。

（杨宁）

Experimental Demonstration of a Large Transverse Emittance Ratio 11:1 in the Relativistic Heavy Ion Collider for the Electron-Ion Collider

Y. Luo, D. Xu, M. Blaskiewicz, and C. Montag

Phys. Rev. Lett. 132, 205001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.205001

在L模托卡马克等离子体边缘，粒子输运和离子能量输运被证明遵循强微湍流（SMT）定标；而在等离子体芯部，输运遵循准线性湍流定标。在SMT区域，扩散率与电势波动幅度呈线性依赖关系，而在准线性区域是二次依赖关系。由于边缘相较于等离子体芯部具有更大的E×B漂移速度，导致了强微湍流输运的转变。在更大的漂移速度下，离子穿过空间相关范围的速度快于电势的随机演化。因此，这些粒子不再经历准线性近似中的时间随机场。相反，在SMT区域，粒子的散射由空间随机性引起。与此形成鲜明对比的是，由于碰撞和快速平行运动引起的相关性降低，电子能量输运仍然是准线性的。该研究揭示超越准线性理论的输运机制，为在托卡马克等离子体边缘进行更准确输运建模创造了可能。

（杨宁）

Breakdown of Quasilinear Theory in the Tokamak Edge

Arash Ashourvan and J. Candy

Phys. Rev. Lett. 132, 205101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.205101

Sayak Bose等人进行的实验室测量，展示了在电子和离子扩散区具有引导磁场的磁重联过程中能量转换的二维结构，揭示了电子和离子能量沉积不同的物理机制。研究发现，电子在X线和分界线附近的两个位置受平行电场激发。另一方面，离子受到高密度分界面附近垂直电场的弹道激励。根据Poynting定理进行的能量平衡计算表明，40%的磁能转化为粒子能量，其中2/3转移到离子，1/3转移到电子。进一步的分析发现，沉积在粒子上的能量在扩散区主要表现为热动能。

（杨宁）

Conversion of Magnetic Energy to Plasma Kinetic Energy During Guide Field Magnetic Reconnection in the Laboratory

Sayak Bose et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 205102 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.205102

[编辑推荐]含有氢同位素para-H₂和D₂混合物的团簇在2 K温度下保持液态，并表现出相分离，这是量子流体的一个特征。

低温下氦同位素³He和⁴He混合物的相分离是量子流体的独特属性。长期以来，氢一直被认为是另一种潜在的量子流体，并预测在T ≤ 1 K时会表现出超流体性质，远低于大约14 K的冰点温度。在T ≤ 3 K温度下，para-H₂和D₂混合物中也预测会发生相分离。为了推迟结冰，作者在T ≈ 2 K温度下制备了含有para-H₂和D₂的团簇，并通过振动拉曼光谱学研究了它们的状态。结果表明，这些团簇是液态的，并显示出同位素的相分离现象。相分离也通过量子分子动力学模拟进一步得到了证实。

（毛慧灿）

Phase Separation in Cold Para-H₂ D₂ Clusters

Russell Sliter, Kim Hyeon-Deuk and Andrey F. Vilesov

Phys. Rev. Lett. 132, 206001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206001

液体的介电响应既反映了单分子偶极子的重定向，也反映了其集体模式，即偶极互相关联效应。最近的一种理论预测后者会在介电损耗谱中产生一个额外的慢峰。根据这一观点，作者认为在过冷液体中，介电损耗β的高频幂律指数应该与偶极有序度相关，即Kirkwood关联因子gK。这一发现在25种过冷液体中得到了证实。虽然作者的发现支持最近的理论工作，但结果被证明违反了早期的Kivelson-Madden理论。

（彭怡然）

Accelerated Adiabatic Passage of a Single Electron Spin Qubit in Quantum Dots

Till Böhmer, Florian Pabst et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 206101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206101

[编辑推荐]一种新的液体喷射技术使研究人员能够比以前的实验更严格地测试液体冷冻理论，但仍存在不确定性。

液固相变是一个复杂的过程，很难用足够的空间和时间分辨率进行实验研究。相变的一个关键方面是在过冷液体中形成晶相的临界晶种，即在低于熔化温度的亚稳状态下的液体。这种随机过程通常在经典成核理论的框架内进行描述，但在原子和分子液体中对该理论进行精确测试是具有挑战性的。本文利用微观液体喷射流产生的飞秒x射线衍射研究了稀有气体氩和氪过冷液体中的晶体成核。作者的结果为原子液体中经典成核理论的有效性提供了严格的限制，并为测试该理论的非经典扩展提供了寻求已久的可能性。

（郑鹏宇）

Crystal Nucleation in Supercooled Atomic Liquids

Johannes Möller et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 206102 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206102

共存序是强相关材料的关键特征，也是从非常规超导到拓扑序等许多有趣现象的基础。本文中，作者报告了EuTe₄中两种相互作用的电荷密度波（CDW）序的共存，EuTe₄是一种层状晶体，尽管缺乏完美的费米表面嵌套，但由于其异常的热滞后和半导体CDW状态而引起了相当大的关注。通过利用时间和角度分辨的光电发射测量进入未占据的导带，作者发现晶胞中的Te单层和双层承载着与不同能隙相关联的不同CDW。这两个能隙在光激发后显示出二分的演化，其中较大的双层CDW能隙表现出较少的重整化和更快的恢复。令人惊讶的是，Te单层中的CDW显示出一种额外的动量依赖性能隙重整化，这不能被密度泛函理论计算所捕捉。这种现象归因于两种CDW序之间的层间相互作用，这解释了平衡态的半导体性质。作者的发现不仅为EuTe₄的关联基态提供了微观见解，还提供了一种理解复杂系统中共存、层依赖性序的普遍非平衡方法。

（杨颖）

Coexistence of Interacting Charge Density Waves in a Layered Semiconductor

B. Q. Lv et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 206401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206401

[编辑推荐]作者提出了一种在Kitaev自旋液体和单层半导体中利用可调栅极电压的方案，作为产生和检测单个伊辛任意子的方法。

通过Kitaev自旋液体支持的非阿贝尔伊辛任意子的可靠操控可能实现本质上容错的量子计算。在这里，作者介绍了一个独立的方案，使用可调的栅极电压在包含非阿贝尔Kitaev自旋液体和单层半导体的异质结构中生成和检测单个伊辛任意子。作者设置的关键要素是对自旋液体中的伊辛任意子在半导体中的每个电子周围进行Kondo耦合以稳定化，并且用一个较大的充电能量以允许在半导体中不同栅极定义区域的电子数量进行控制。特别地，通过将电子数量调节为一，可以在一个盘状区域生成一个单一的伊辛任意子，同时可以通过测量围绕它的环形区域的电导率来进行干涉测量检测，该环形区域的电子数量允许在零和一之间波动。作者为在有前景的候选材料如α−RuCl₃中实施上述提议提供了具体的实验指导。

（刘瑞）

Gate-Controlled Anyon Generation and Detection in Kitaev Spin Liquids

G. B. Halász

Phys. Rev. Lett. 132, 206501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206501

[编辑推荐]定义在二维Affleck-Kennedy-Lieb-Tasaki模型边界上的无序算符揭示了表面临界行为中无能隙边界模式与体临界性的联系。

无序算符通常被设计用于揭示量子多体系统中的共形场理论（CFT）信息。通过大规模量子蒙特卡罗模拟，作者研究了在具有无能隙拓扑边界态的二维海森堡模型在正方-八边形晶格的边界上的无序算符的标度行为。在Affleck-Kennedy-Lieb-Tasaki相中，无序算符被证明具有与Luttinger液体参数K相关的对数项的周长尺度。这个有效的Luttinger液体参数K反映了（1+1）维边界的低能物理和CFT。在体块临界点处，有效的K被抑制，但它保持有限值，表明无缝边界态与体块波动之间的耦合。对数项从数值上捕获了这种耦合图像，揭示了（1+1）D SU(2)1 CFT和（2+1）D O(3) CFT在边界临界性时的情况。作者的论文开辟了研究奇异边界状态和边界临界性的新途径。

（郭维安）

Measuring the Boundary Gapless State and Criticality via Disorder Operator

Zenan Liu, Rui-Zhen Huang et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 206502 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206502

[编辑推荐]具有动力学约束的Rydberg原子阵列的量子蒙特卡洛模拟揭示了一种量子泥泞态: 一种具有准长程有序性的异质液态和玻璃态混合物。

在具有反阻塞机制的Rydberg原子阵列中，作者提出了一种即使在零温度下也不会有序的奇异量子态。通过执行无偏的大型量子蒙特卡洛模拟，作者研究了一个在无序系统中具有促进激发的最小模型。在零温度下，这个模型展示了液态和玻璃态混合物的异质结构。这种状态，被称为量子泥泞态，具有准长程有序性，其相关函数呈代数衰减，并且与大多数已确立的量子物质相不同。

（毛慧灿）

Quantum Slush State in Rydberg Atom Arrays

Tengzhou Zhang and Zi Cai

Phys. Rev. Lett. 132, 206503 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206503

作者将拓扑保护的半金属带交叉点的概念推广到负曲面上的双曲格。由于其独特的平移群结构，这种晶格与高维倒易空间相关联。此外，它们支持非阿贝尔布洛赫态，与传统的布洛赫态不同，非阿贝尔布洛赫态在点阵平移下能获得矩阵型布洛赫因子。结合不同的数值和分析方法，作者揭示了低能态密度的非常规尺度，并阐明了互易空间中余维为五的节点流形。节点流形在拓扑上受到非零第二陈数的保护，这让人联想起由第一陈数表征的Weyl节点。

（彭怡然）

Hyperbolic Non-Abelian Semimetal

Tarun Tummuru, Anffany Chen et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 206601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206601

作者发展了一种实用的机器学习方法，通过使用电导矩阵的训练和反演电导数据来确定Majorana纳米线的无序绘景，以获得系统中的无序细节。就作为化学势和塞曼能量的函数的任何输入隧道电导确实可以被反演以提供正确的无序绘景的意义而言，通过使用不同无序参数化的机器学习进行的反演被证明是独特的。作者的工作开辟了一个定性的新方向，即使用定量匹配特定电导曲线的模拟，直接确定与器件的输运曲线相对应的拓扑不变量和Majorana波函数结构。此外，这也为优化Majorana系统开辟了可能性，只需通过电导数据就可以找出（通常未知的）潜在的无序。在相同的方案中也可以获得系统中适用的自旋-轨道耦合的精确估计。

（郑鹏宇）

Machine Learning the Disorder Landscape of Majorana Nanowires

Jacob R. Taylor et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 206602 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206602

这篇文章提出了关于单立方晶体中各向异性磁电效应的理论，并对(001)平面上的电流进行了实验验证。与认为单晶体中的磁电效应对许多内部和外部影响都非常敏感且没有普遍特征的一般观念相反，该理论预测了当磁化在(001)平面、垂直于电流的平面以及包含电流和[001]方向的平面旋转时，纵向和横向电阻率以及各种特征的普遍角度依赖性。通过Fe₃₀Co₇₀单立方晶体薄膜的实验，验证了这些普遍角度依赖性。这些发现为研究和应用磁电效应提供了新的途径，因为与多晶材料相比，单晶体在能带结构和晶体学取向工程方面具有优势。

（杨颖）

Anisotropic Galvanomagnetic Effects in Single Cubic Crystals: A Theory and Its Verification

Yu Miao et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 206701 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206701

当固体中的布洛赫电子暴露在强光场中时，它们会在各自的能带中相干驱动，并在能带形状的印记下获得量子相位。如果一个电子接近由两个能带形成的避免交叉点，它可能会经历一个Landau-Zener相变而被劈裂。Weitz等人利用随后的Landau-Zener相变来实现强场布洛赫电子干涉测量，揭示能带结构信息。特别是，作者测量了石墨烯在K点附近的费米速度（能带斜率）为(1.07±0.04)nm fs⁻¹。作者期望强场布洛赫电子干涉测量用于能带结构探测将适用于广泛的材料系统和实验条件，使其适合于在环境条件下以飞秒时间分辨率研究能带结构的瞬态变化。

（刘瑞）

Strong-Field Bloch Electron Interferometry for Band-Structure Retrieval

T. Weitz, C. Heide, and P. Hommelhoff

Phys. Rev. Lett. 132, 206901 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206901

开发量子网络需要通过远程强耦合将远距离的系统相干连接。在此，作者展示了在线性工作状态下的腔体磁子学中的长距离相干性。通过在本地将腔体设置为接近于旅行光子临界耦合，作者通过强耦合在2米的距离上建立了非局域的磁子-光子相干性。作者观察到了这种长距离相干性的两个异常现象：首先，耦合强度以常规光子介导耦合的两倍周期进行振荡；其次，在腔体线宽内观察到了清晰的模式分裂。这两个效应都无法用传统的耦合模式理论解释，揭示了在临界驱动下系统中光子介导耦合现象的冰山一角。作者的研究表明，利用临界现象有可能在分布式系统中实现长距离相干性。

（郭维安）

Anomalous Long-Distance Coherence in Critically Driven Cavity Magnonics

Ying Yang, Jiguang Yao et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 206902 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206902

[编辑推荐]单光子发射的相干性通过与光学腔体的耦合来控制。

发射器的退相干是固态单光子源性能的关键问题之一。在各种退相干源中，声子在为单光子发射过程增加退相干方面起着核心作用。在这里，作者展示了通过选择性地将单个WSe₂单层量子点与光谱腔共振耦合，可以调节和设计发射光子的相干度。作者利用一个开放式腔体来展示对高度不对称的声子侧带进行光谱增强、均衡和抑制，这与真正二维系统中激子-声子退相干的微观描述非常吻合。此外，通过光学干涉测量直接评估了腔体调谐对退相干的影响，这表明了利用光-物质耦合来控制和设计原子级薄晶体中量子发射器的退相干和相干性的能力。

（毛慧灿）

Engineering the Impact of Phonon Dephasing on the Coherence of a WSe₂ Single-Photon Source via Cavity Quantum Electrodynamics

Victor N. Mitryakhin et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 206903 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206903

循环驱动下的非平衡热机一般优于稳态热机。然而目前对时间调制下的多种输运(versatile transport)和涨落特性尚缺乏统一认识。Wang等人根据非平衡驱动输运的全计数统计建立了一个热力学几何理论框架。作者发现，除了常规动力学和绝热几何曲率外，生成函数还被分为一个额外的、表示全计数统计度规的非绝热项。这个非绝热度规将近平衡熵增热力学几何的最新结果推广到一般流(general currents)的远离平衡态涨落。此外，该框架证明了近绝热热学设备的几何热力学不确定性关系，用统计度规与热力学长度限制了随机流的涨落。并用实验可实现的驱动诱导量子手征输运和布朗热泵作为例证证明该理论框架有效。

Thermodynamic Geometry of Nonequilibrium Fluctuations in Cyclically Driven Transport

Zi Wang (王子) and Jie Ren (任捷)

Phys. Rev. Lett. 132, 207101 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.207101

可积湍流是一种由可积方程模拟用来描述物理系统中随机非线性波的通用理论范式。 Congy等人利用孤子气体的谱动力学理论研究了一维聚焦非线性薛定谔方程(fNLSE)描述的可积湍流中极端事件发生的可能性。借助fNLSE逆散射变换的随机解释，并根据相应孤子气体状态的谱密度来解析地评估涌现的随机非线性波场峰度(kurtosis)。并将结果应用于可积湍流产生的两个基本场景：( i )平面波自发调制不稳定性的渐近发展(asymptotic development)，( ii )强非线性、部分相干波的长时演化。这两种情况涉及束缚态孤子气体动力学时；解析得到的峰度值与fNLSE直接数值模拟得到的峰度值完全一致，为各自的怪波统计(rogue wave statistics)提供了期待已久的理论解释。此外，通过研究一种特殊的非束缚态气体的演化，得到了与所谓位力定理(virial theorem)有效性相关的重要见解。

Statistics of Extreme Events in Integrable Turbulence

T. Congy, G. A. El, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 207201 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.207201

多体物理的一个核心任务是确定相图。然而，绘制相图通常需要大量的人类直觉和理解。可以将该过程视为一项分类任务使其自动化。通常使用建模给定样本标签概率的判别分类器来处理分类问题。作者证明了相分类问题自然适用于基于物理系统测量统计概率模型的生成式分类器。这种生成式方法得益于统计物理和量子物理的建模概念以及机器学习的最新进展。这为相图的自主确定提供了一个几乎无人监督的强大框架，并在经典平衡系统和量子基态中展现其优势。

Mapping Out Phase Diagrams with Generative Classifiers

Julian Arnold, Frank Schäfer, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 207301 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.207301

耦合克尔参量振荡器(KPO)网络是模拟求解复杂优化问题的前沿物理平台。这些系统俗称"伊辛机"。Álvarez等人从实验和理论上研究了在外力作用下的此类网络。外力破坏了系统的集体相位-宇称对称性并与内禀耦合作用竞争，从而使网络构型有序化，这与磁场偏置相互作用的自旋系综类似。作者展示了如何利用外力来控制系统，并强调了相位和外力对称性的关键作用。并由此提供了一种创建具有任意偏置伊辛机的方法，甚至扩展到在真实自旋系统中无法实现的奇特情况。

Biased Ising Model Using Two Coupled Kerr Parametric Oscillators with External Force

Pablo Álvarez, Davide Pittilini, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 207401 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.207401

[编辑推荐]深海海绵错综复杂的骨架将洋流的水平流动转化为通过海绵身体的垂直流动——这一机制有助于海绵的过滤进食。

Falcucci等人对深海玻璃海绵曲霉Euplectella aspergillum体腔内及下游的流动物理特性进行了分析。他们提供的证据表明，海绵的螺旋骨架图案产生了丰富的流体动力场，允许生物体从海底清除流动，并促进其体腔内自发的、有组织的垂直流动。他们的分析指出了生物体的功能适应，它可以被动地在不利的低环境电流中引导流经隐口的水流，而不需要主动泵送，这对功能生态学、化学反应器、空气处理装置以及民用和航空结构的设计都有潜在的影响。

（张一鸣）

Adapting to the Abyss: Passive Ventilation in the Deep-Sea Glass Sponge Euplectella aspergillum

G. Falcucci et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 208402 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.208402

[编辑推荐]变形聚合物玻璃中的结构和高分子链弛豫时间相似，表明其链迁移率和结构弛豫之间存在联系。

为了确定聚合物玻璃在变形过程中的结构弛豫时间，在稳态塑性流动状态下进行应变率切换实验。使用轻度交联的多聚（甲基丙烯酸甲酯）玻璃，同时使用光学探针重新定向方法对玻璃中的分段运动进行量化。应变率切换后，观察到非单调应力响应与之前的工作一致。相反，分段运动的关联时间单调地向新的稳态演化，这提供了变形过程中结构弛豫时间的明确测量，进而得出该时间近似等于分段关联时间。Chen-Schweizer 模型定性预测了分段关联时间和观察到的非单调应力响应的变化。此外，他们的实验与聚合物变形建模中使用的材料时间假设相当一致；在这种方法中，他们是将线性响应模型与分段关联时间结合起来描述聚合物玻璃对大变形的响应。

（张清源）

Structural Relaxation Time of a Polymer Glass during Deformation

Pradip K. Bera, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 208101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.208101

[编辑推荐]活性布朗粒子可以通过类玻尔兹曼-恩斯科格动力学理论来描述，其中运动引起的相分离可能是由于粒子有效速度降低引起的。

当两个活跃的布朗粒子碰撞时，它们会沿着彼此滑动，直到可以继续自由运动。对于比粒子直径大得多的连续长度，方向不会改变，但碰撞可以被建模为与没有相遇时的自由运动相比，在粒子上产生净位移。利用这些元素，R. Soto等人建立了类似玻尔兹曼-恩斯科格的动力学理论。均匀态线性稳定性分析预测了由理论预测的标记粒子的有效速度降低引起的密度不稳定性。

（张清源）

Kinetic Theory of Motility Induced Phase Separation for Active Brownian Particles

Rodrigo Soto, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 208301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.208301

在许多生物聚合物溶液中，在低浓度下稳定有限大小团簇的吸引相互作用也促进了高浓度下的相分离。O. Hegde等人研究了一种模型生物聚合物系统，它表现出相反的行为，即DNA自组装成有限尺寸的，化学计量簇倾向于抑制相分离。他们首先使用基于微流体的实验来绘制一种新的相变，在这种相变中，在高浓度的二价阳离子下，DNA随着温度的升高而凝聚。然后，他们证明了自组装和相分离之间竞争的理论模型定量预测了DNA序列扰动引起的实验相图的变化。他们的研究结果指出了在复杂的生物聚合物溶液中自组装形成相边界的一般机制。

（张一鸣）

Competition between Self-Assembly and Phase Separation Governs High-Temperature Condensation of a DNA Liquid

O. Hegde, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 208401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.208401

Acid-induced release of stored ions from polyacrylic acid hydrogels (with a free surface fully permeable to the ion and acid) was observed to increase the gel osmotic pressure that leads to rapid swelling faster than the characteristic solvent absorption rate of the gel. The subsequent equilibration of the diffusing ion concentration across the gel surface diminishes the osmotic pressure. Then, the swollen gel contracts, thereby completing one actuation cycle. We develop a continuum poroelastic theory that explains the experiments by introducing a “gel diffusiophoresis” mechanism: Steric repulsion between the gel polymers and released ions can induce a diffusio-osmotic solvent intake counteracted by the diffusiophoretic expansion of the gel network that ceases when the ion gradient vanishes. For applications ranging from drug delivery to soft robotics, engineering the gel diffusiophoresis may enable stimuli-responsive hydrogels with amplified strain rates and power output.

Diffusiophoretic Fast Swelling of Chemically Responsive Hydrogels

Chinmay Katke, et al.

Phys. Rev. Lett. 132, 208201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.208201

END