PRL导读-2024年133卷14期

涨落定理和热力学第二定律强有力地约束着非平衡系统的行为。尽管它们已经被推广到反馈控制量子系统，但它们的适用性仍然受到限制，特别是在考虑了强而连续的测量时。在本文中，作者则克服了这一局限。他们推导出了一个新的涨落定理及其相关的信息热力学第二定律，这些定律在任意反馈控制场景中均适用。在作者的热力学第二定律中，熵的产生受到粗粒化熵的限制。这种熵可以从测量结果中推断出来，是一种实验可获取的量，即使在强连续测量下也不会发散。作者通过一个在离散和连续测量下的量子比特来说明他们的结果。这一方法为所有测量强度下的熵的产生提供了一个有用的界限。

（张凡）

Quantum Fluctuation Theorem for Arbitrary Measurement and Feedback Schemes

Kacper Prech et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 140401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.140401

High-order topological phases of matter refer to the systems of n-dimensional bulk with the topology of m-th order, exhibiting (n−m)-dimensional boundary modes and can be characterized by topological pumping. Here, we experimentally demonstrate two types of second-order topological pumps, forming four 0-dimensional corner localized states on a 4×4 square lattice array of 16 superconducting qubits. The initial ground state of the system at half-filling, as a product of four identical entangled 4-qubit states, is prepared using an adiabatic scheme. During the pumping procedure, we adiabatically modulate the superlattice Bose-Hubbard Hamiltonian by precisely controlling both the hopping strengths and on-site potentials. At the half pumping period, the system evolves to a corner-localized state in a quadrupole configuration. The robustness of the second-order topological pump is also investigated by introducing different on-site disorder. Our Letter studies the topological properties of high-order topological phases from the dynamical transport picture using superconducting qubits, which would inspire further research on high-order topological phases.

High-Order Topological Pumping on a Superconducting Quantum Processor

Cheng-Lin Deng et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 140402(2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.140402

对通过与环境的耦合来控制量子系统相变的研究大部分是在马尔科夫近似下进行的，这种情况下环境被理想化为没有记忆。然而，大多数固态、原子、分子和光学物理中的量子材料和实验都是和具有有限记忆时间的环境耦合。作者利用在相关论文（Debecker, Martin, Damanet 将要发表）中发展出的非马尔科夫耗散相变的谱理论，展示了记忆效应可以被利用来重塑物质相边界，并揭示了由非马尔科夫效应触发的耗散相变的存在。

（张凡）

Controlling Matter Phases beyond Markov

Baptiste Debecker, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 140403(2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.140403

The manipulation and transformation of quantum resources are key parts of quantum mechanics. Among them, asymmetry is one of the most useful operational resources, which is widely used in quantum clocks, quantum metrology, and other tasks. Recent studies have shown that the asymmetry of quantum states can be significantly amplified with the assistance of correlating catalysts that are finite-dimensional auxiliaries. In the experiment, we perform translationally invariant operations, ensuring that the asymmetric resources of the entire system remain nonincreasing, on a composite system composed of a catalytic system and a quantum system. The experimental results demonstrate an asymmetry amplification of 0.0172± 0.0022 in the system following the catalytic process. Our Letter showcases the potential of quantum catalytic processes and is expected to inspire further research in the field of quantum resource theories.

Experimental Catalytic Amplification of Asymmetry

Chao Zhang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 140201(2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.140201

本文通过研究与马尔可夫热浴耦合的量子系统的弛豫动力学，从非平衡量子热力学的角度探讨量子Mpemba效应。这些系统由Davies映射描述。从具有能量本征基底相干性的状态出发，这个工作证明了：如果该状态被转换为能量本征基底中的对角状态，并且生成元的谱能隙由复数特征值定义，那么总是会出现到达平衡的指数加速。当转换后的状态具有更高的非平衡自由能时，作者通过热力学推理认为，这是真正的量子Mpemba效应。此外，本文展示了如何构建一个初始态的幺正变换来实现这一效应，并通过研究单量子比特和多量子比特示例中的非平衡自由能动力学和不可逆熵产生，验证该发现。

（刀流云）

Thermodynamics of the Quantum Mpemba Effect

Mattia Moroder et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 140404 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.140404

最近在经历淬火的量子多体系统中关于对称恢复的背景下，作为诊断对称破缺的工具和热化的指标，人们提出并研究了纠缠不对称性。在本文中，作者研究了各种对称随机量子电路中的对称恢复现象，特别关注U(1)对称性的情况。与在非对称随机电路中总能在晚期恢复的子系统的小规模U(1)对称性不同，我们发现在有限尺寸的系统中，对于某些弱对称破缺的初始状态，U(1)对称电路中的对称恢复可能会失败。在早期动力学中，作者观察到了一个有趣的量子姆潘巴效应，即当初始状态的不对称性更高时，对称性的恢复速度反而更快。此外，作者还研究了SU(2)和Z₂对称电路的纠缠不对称性动力学，并分别确定了相应对称性下量子姆潘巴效应的存在与否。作者通过具有守恒电荷的量子热化视角为这些结果提供了一个统一的理解。

（胡坤）

Symmetry Restoration and Quantum Mpemba Effect in Symmetric Random Circuits

Shuo Liu et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 140405 (2024)

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Controlled quantum gates play a crucial role in enabling quantum universal operations by facilitating interactions between qubits. Direct implementation of three-qubit gates simplifies the design of quantum circuits, thereby being conducive to performing complex quantum algorithms. Here, we propose and present an experimental demonstration of a quantum Toffoli gate fully exploiting the polarization and orbital angular momentum of a single photon. The Toffoli gate is implemented using the polarized diffractive neural networks scheme, achieving a mean truth table visibility of  97.27±0.20%. We characterize the gate’s performance through quantum state tomography on 216 different input states and quantum process tomography, which yields a process fidelity of 94.05±0.02%. Our method offers a novel approach for realizing the Toffoli gate without requiring exponential optical elements while maintaining extensibility to the implementation of other three-qubit gates.

Polarization and Orbital Angular Momentum Encoded Quantum Toffoli Gate Enabled by Diffractive Neural Networks

Qianke Wang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 140601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.140601

利用第一性原理精确确定强关联材料的电子结构在凝聚态物理、计算化学和材料科学中至关重要。然而，由于其所需计算资源的指数级增长，将此类材料纳入经典计算框架会变得及其困难。2016年，Bauer等人提出了一种针对关联材料的混合量子-经典方法 [B. Bauer et al., Hybrid quantum-classical approach to correlated materials, Phys. Rev. X 6, 031045 (2016)]，该方法能够有效处理复杂关联材料的电子结构问题。本文通过实验展示了这种应对与强关联材料相关的计算挑战的方法。通过将量子计算与经典计算无缝整合，作者利用自旋量子处理器，处理了计算中最具挑战性的部分，即格林函数的计算。此外，作者通过量子计算和经典计算之间的反馈环路，实现了在单杂质Anderson模型中的自洽确定。随着电子关联强度的增加，作者观察到了Hubbard模型中从金属态向Mott绝缘体的量子相变。随着具备高控制保真度的量子比特的数量不断增加，作者的实验成果为解决更为复杂的模型（如强关联的晶体材料或复杂分子）提供了有效的方法。

（张凡）

Self-Consistent Determination of Single-Impurity Anderson Model Using Hybrid Quantum-Classical Approach on a Spin Quantum Simulator

Xinfang Nie et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 140602 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.140602

Bound states in the continuum (BICs) are localized modes residing in the radiation continuum. They were first predicted for single-particle states, and became a general feature of many wave systems. In many-body quantum physics, it is still unclear what would be a close analog of BICs, and whether interparticle interaction may induce BICs. Here, we predict a novel type of multiparticle states in the interaction-modulated Bose-Hubbard model that can be associated with the BIC concept. Under periodic boundary conditions, a so-called quasi-BIC appears as a bound pair residing in a standing wave formed by the third particle. Under open boundary conditions, such a hybrid state becomes an eigenstate of the system. We demonstrate that the Thouless pumping of the quasi-BICs can be realized by modulating the onsite interactions in space and time. Surprisingly, while the center of mass of the quasi-BIC is shifted by a unit cell in one cycle, the bound pair moves in the opposite direction with the standing wave.

Interaction-Induced Multiparticle Bound States in the Continuum

Boning Huang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 140202 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.140202

作者研究了单场暴涨模型中小尺度曲率扰动的单圈修正对超视界极限的影响，这一课题近来引起争议。作者考虑了宇宙经历从慢滚（SR）到中间时期再到SR的转变过程。中间时期可以是极慢滚时期或是共振增强时期，这两种类型都会增强小尺度曲率扰动。作者假设超视界曲率扰动至少在每个SR阶段守恒。在此框架下，作者证明两个SR阶段的超视界曲率扰动在慢滚极限下单圈水平相一致。

Superhorizon Curvature Perturbations Are Protected against One-Loop Corrections

Keisuke Inomata

Phys. Rev. Lett. 133, 141001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.141001

原初密度涨落的关联函数为研究宇宙最早期物理提供了探针。但用标准方法计算此量颇具挑战性。因此仅在有限几类理论中可以得出理论预测。本文中，作者发表了系统计算树图阶暴涨关联因子的完备方法。此方法基于对等时关联函数时间演化的追踪，且可以准确捕捉任何理论中的物理效应。这些理论在暴涨涨落的水平上易于表示，且有任意的色散关系与质量以及任意数目的自由度，可以与任何含时相互作用相耦合。作者通过在强混合及存在特征的理论中，研究宇宙碰撞信号——新高能物理的探索领域，来阐释这一方案的优势。此工作为辅助暴涨物理学的理论理解以及未来宇宙观测解释生成无偏差理论数据的通用手段打下了基础。

Cosmological Flow of Primordial Correlators

Denis Werth, Lucas Pinol, and Sébastien Renaux-Petel

Phys. Rev. Lett. 133, 141002 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.141002

[编辑推荐]宇宙微波背景与大尺度结构数据的结合分析提高了对有暗光子的标准模型中动力学混合的约束。

与标准模型光子有动力学混合的暗光子在宇宙微波背景（CMB）中产生了新的谱各向异性（零散暗屏蔽），原因在于大尺度上光子向暗光子的转变。作者对Planck CMB与unWISE的星系观测数据应用了最先进的成分分离技术，利用对此零散暗屏蔽信号的预测，给出现今最严格的对暗光子动力学耦合参数的限制（ε≲4.5×10^-8，95%置信水平），质量位于10^-13eV≲m_A’≲10^-11eV区间内，相较先前的结果提升了近一个数量级。

Dark Photon Limits from Patchy Dark Screening of the Cosmic Microwave Background

Fiona McCarthy, Dalila Pîrvu and et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 141003 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.141003

极端质量比旋近（EMRI）会在星体质量的致密天体开始由引力波（GW）驱动的、向超大质量黑洞的旋近中产生。EMRI波形可以准确反映周围时空结构，这使其成为未来天基GW干涉仪（如LISA）的主要目标，但其事件率和参数仍高度不确定。较大的不确定性之一在于真正EMRI与直接坠落间的比率，真正的EMRI在LISA的频带中需要至少数千个轨道的时间，而直接下坠只有数个轨道，且实际不可观测。本文中，作者表明传统的将EMRI与坠落二分的观点——EMRI来自小的半长轴，而坠落情况来自大的——对于质量在M_·≲10⁵M_⊙的中等质量黑洞并不成立。在此种小质量情况下，坠落总有O(1)的几率失败，并转化为一种新的“cliffhanger”EMRI。“cliffhanger”EMRI对较大质量的致密天体更易于形成。如果中等质量黑洞在矮星系核中普遍存在，此种新的EMRI产生机制会主导体积EMRI率  ，有可能使  增长一个数量级。

Enhanced Extreme Mass Ratio Inspiral Rates and Intermediate Mass Black Holes

Ismail Qunbar and Nicholas C. Stone

Phys. Rev. Lett. 133, 141401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.141401

作者推导出一个关于欧几里得超对称解的引力自由能的一般公式，该解是D=4, N=2规范超引力与矢量多重态物质耦合的情况。这使得可以在无需解任何超引力方程的情况下计算自由能，而只需要假设解的存在。除了可以轻松重复文献中已知的一些结果外，作者还展示了一些新的超引力结果，这些结果与全息对偶场论计算相匹配。

Localization of the Free Energy in Supergravity

Pietro Benetti Genolini, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 141601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.141601

[Featured in Physics] [编辑推荐]大型强子对撞机的新的实验结果不支持由某些超越标准模型理论所预言的多重希格斯玻色子的存在。

希格斯与W玻色子通过矢量玻色子融合的联合产生过程对希格斯玻色子与W和Z玻色子的耦合的相对符号极为敏感。本文展示了使用由LHC的ATLAS探测器记录的质子-质子能量为13 TeV，140 fb⁻¹ 碰撞数据，所进行的对这一过程的两项搜索。第一项搜索针对的是W和Z玻色子与希格斯玻色子相反符号耦合的情景，而第二项搜索则针对类似标准模型的相同符号耦合的情景。两种分析都考虑了希格斯玻色子衰变为一对b夸克和W玻色子与电子或μ子的衰变。数据以超出5σ的显著性排除了相反符号耦合的假设，并且在95%置信度水平下，观测到（预期的）矢量玻色子融合WH产生截面的上限是标准模型值的9.0(8.7)倍。

Determination of the Relative Sign of the Higgs Boson Couplings to 𝑊and 𝑍 Bosons Using 𝑊𝐻 Production via Vector-Boson Fusion with the ATLAS Detector

G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 141801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.141801

作者展示了一个在物理π介子质量下进行的核子电极化率的格点QCD计算。作者的研究结果揭示了Nπ态对这些极化率的显著贡献。如果不考虑这些贡献，格点的结果将显著低于实验值，这与以前的格点研究一致。这一观察促使作者使用格点QCD计算了在质心系中核子动量约为0.5 GeV时，负宇称Nπ散射以及相应的Nγ^*→Nπ矩阵元。作者的结果证实，引入动态Nπ的贡献对于从格点QCD中可靠地确定极化率是至关重要的。该方法为将来对各种其他极化率的格点QCD研究奠定了基础。

Nucleon Electric Polarizabilities and Nucleon-Pion Scattering at the Physical Pion Mass

Xuan-He Wang, Zhao-Long Zhang, Xiong-Hui Cao, Cong-Ling Fan, Xu Feng, Yu-Sheng Gao, Lu-Chang Jin, and Chuan Liu

Phys. Rev. Lett. 133, 141901 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.141901

[编辑推荐]在 𝑝𝑝 碰撞中产生的超过80种带电粒子的喷注内的任何两粒子被发现比预期具有更强的关联，表明在小碰撞系统中出现了集体行为的迹象。

通过 CERN LHC 的 CMS 探测器对带电粒子进行关联测量，CMS 合作组研究了质子-质子碰撞产生的喷注内集体效应。分析使用的数据是在 √𝑠=13  TeV 的质心能量下收集的，对应的积分亮度为 138  fb⁻¹。喷注通过 anti-𝑘_T 算法重建，距离参数为0.8，要求横动量大于 550 GeV 且赝快度 |𝜂^jet|<1.6。作为粒子的方位角和赝快度差（Δ𝜙* 和 Δ𝜂*）的函数，他们在喷注坐标系中研究了喷注内带电粒子的两粒子关联，其中粒子的 𝜂*、𝜙* 是相对于喷注方向定义的，且关联函数在喷注内带电粒子多重数多达 𝑁^j_ch≈100 的不同类别中研究。通过从长程方位角关联函数中提取傅里叶谐波，他们表征了 |Δ𝜂*|>2 的方位角各向异性。对于低 𝑁^j_ch 喷注，观察到长程椭圆各向异性谐波 𝑣₂* 随着 𝑁^j_ch 的增大而减小，蒙特卡罗事件产生器很好地描述了这一趋势。然而，在 𝑁^j_ch≳80 时，𝑣₂* 呈现出上升趋势，暗示可能出现了集体行为，而（研究的）理论模型却没有再现这一趋势。此研究为喷注在真空中演化的动力学提供了新的见解。

（褚胤涵）

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

为了提炼核子结合的基本要素，Alex Gnech 等人寻找能够以百分之一量级精度模拟原子核的最简单哈密顿量。此任务的一个关键方面是精确求解量子多体问题，同时避免核子数量导致的计算成本指数级增大。为了解决这一挑战，他们使用了一种基于高度表达能力的神经网络量子波函数的变分蒙特卡罗方法。除了计算包含多达 𝐴=20 个核子的结合能和电荷半径外，通过评估它们的磁矩，他们还展示了神经网络量子波函数能够正确捕捉到自发出现的核壳层结构。为此，他们引入了一种新的计算协议，即在核哈密顿量中加入外磁场，这使得神经网络能够学习在给定磁场下核子的优先极化方向。

（褚胤涵）

Distilling the Essential Elements of Nuclear Binding via Neural-Network Quantum States

Alex Gnech et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 142501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.142501

[编辑推荐]在准二维玻色气体中观察涡旋晶格的熔化与六角相到液态的相变一致。

本文报道了在快速旋转的准二维玻色气体中，在热涨落的影响下，涡旋晶格的熔化现象。作者利用飞行时间膨胀以便在恒定的原子数和温度情况下增加旋转频率，然后对旋涡晶格进行成像。还利用对关联函数和取向关联函数来检测涡旋的位置和研究晶格的序。作者通过与位错增殖相关的取向关联衰减的变化来证明热熔化相变。作者的发现与Kosterlitz, Thouless, Halperin, Nelson和Young的二维熔化中的六角相到液态的相变一致。

Thermal Melting of a Vortex Lattice in a Quasi Two-Dimensional Bose Gas

Rishabh Sharma, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 143401 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.143401

干涉仪是利用空间传播的光波或物质波构造的，通常利用沿不同路径传播的波之间的干涉来实现物理量的测量。本研究利用在陷阱势中二维旋转路径上工作的离子物质波干涉仪，提出一种测量Aharonov-Bohm相位的新方法。近圆势的离子轨道随时间改变旋转方向。这种旋转方向的反转导致干涉相位发生相应变化。这项研究是利用离子传播中物质波构建二维干涉仪以测量物理量的首次尝试。考虑到干涉仪对回旋运动和系统旋转的比例因子是常见的，本研究中对Aharonov-Bohm相的灵敏度相当于大约300 rad/s的旋转灵敏度。除了推进干涉测量之外，作者的工作也为以后研究在陀螺仪应用中使用离子物质波奠定了基础。

Sensing Aharonov-Bohm Phase Using a Multiply-Orbiting-Ion Interferometer

Ryoichi Saito and Takashi Mukaiyama

Phys. Rev. Lett. 133, 143402 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.143402

通过利用旋转和核自旋自由度之间的超精细相互作用，作者展示了对基态碱金属二聚体分子，如KRb（X¹Σ⁺）的电偶极矩、电偶极相互作用和ac Stark位移的广泛磁场控制。该控制通过狭窄的避免交叉和在低磁场下分子本征态的高度遍历特性来实现，为量子模拟、量子传感和偶极旋量物理学中的应用提供了一种通用而有效的连续调谐分子间电偶极相互作用的方法。

Magnetically Tunable Electric Dipolar Interactions of Ultracold Polar Molecules in the Quantum Ergodic Regime

Rebekah Hermsmeier, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 143403 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.143403

一氟化钡(BaF)作为一种重分子，是测量永久电偶极矩的理想材料。本文报道了BaF分子三维磁光捕获(MOT)的实现。通过泵浦所有的振动态到𝑣=3，转动态到N=3，作者有效地关闭了到泄露能级的跃迁，将它降低到 10⁻⁵以下。这种方法使分子能够同足够数量的光子散射，以产生激光冷却和捕获。采用一种技术对减慢激光频率进行啁啾操作，BaF分子被减速到速度接近于零，从而使大约3×10³个分子能被一个MOT捕获。作者的发现为实现超冷BaF分子和用冷分子进行精确测量迈出了重要一步。

Three-Dimensional Magneto-Optical Trapping of Barium Monofluoride

Zixuan Zeng, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 143404 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.143404

在二维空间中具有短程吸引相互作用的二元费米气体为理解二维强关联费米超流体提供了一个典范系统。已知该体系存在依赖于ln(𝑘_F𝑎)的BEC到BCS相变，其中𝑎是散射长度，并且在临界温度𝑇_𝑐以下经历Berezinskii-Kosterlitz-Thouless超流体相变。然而，在ln(𝑘_F𝑎) ∼1的强关联区间中（其中对关联在𝑇_𝑐之上持续存在），赝隙区间的大小在很大程度上仍没有可控的理论方法进行探索。在这里，作者基于有限温度辅助场量子蒙特卡罗方法对离散格点使用正则系综方案，计算了强关联区间下的热力学观测量。作者外推到连续时间和连续极限，以消除系统误差，给出了粒子数从N=42到N=162的结果。作者通过有限尺寸的标度分析来估计𝑇_𝑐，观察到自旋磁化率和自由能间隙在𝑇_𝑐以上和𝑇*以下的明显赝隙特征。作者也展示了接触的结果，这是具有短程相互作用的量子多体系统的基本热力学性质。

Pseudogap Effects in the Strongly Correlated Regime of the Two-Dimensional Fermi Gas

S. Ramachandran, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 143405 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.143405

作者们提出了一个新的模型，用于描述强烈驱动的瑞利-贝纳德湍流（所谓的终极状态）中的热传递和湍流强度，这个模型与Choffrut等人提出的新的数学上精确的热传递上限一致[J. Differ. Equations 260, 3860 (2016)]，因此可以对地外和天体物理流动中的热传递进行外推。该模型区分了终极状态的四个亚区，并且很好地描述了各种大瑞利数实验中测量到的热传递。在这个新的表示中，适当地考虑了普朗特数的依赖性，所有可用的大瑞利数数据集中都可以看到向终极状态的过渡，尽管在不同的瑞利数下，这是非正态-非线性不稳定性的预期结果。

（邱仲普）

Ultimate Regime of Rayleigh-Bénard Turbulence: Subregimes and Their Scaling Relations for the Nusselt vs Rayleigh and Prandtl Numbers

Olga Shishkina and Detlef Lohse

Phys. Rev. Lett. 133, 144001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.144001

间歇性指的是由异常的时空波动引起的湍流流动的自相似性破裂。在这篇文章中，作者们探讨了非耗散粘性，即奇数粘性（也称为Hall粘性或gyro粘性）对间歇性的影响，这种粘性出现在破坏宇称对称性的流体中，例如磁化的多原子气体、磁场下的电子流体以及旋转的胶体或颗粒。利用Navier-Stokes模拟和理论的结合，作者们展示了奇数粘性在小尺度上抑制了间歇性。这种效应是由奇数粘性诱导的破坏宇称的波引起的，这些波破坏了Navier-Stokes方程的多重尺度不变性。基于这一见解，作者们构建了一个双通道螺旋壳模型，该模型再现了包括抑制异常缩放在内的湍流奇数粘性流体的基本现象。作者们的发现展示了如何在可调长度尺度下产生完全发展的直接级联，完全是自相似的，为设计具有可调间歇性水平的湍流流动铺平了道路。

（邱仲普）

Odd Viscosity Suppresses Intermittency in Direct Turbulent Cascades

Sihan Chen, Xander M. de Wit, Michel Fruchart, Federico Toschi, and Vincenzo Vitelli

Phys. Rev. Lett. 133, 144002 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.144002

当使用大量电子时，用于产生同步辐射的相对论电子束会系统地自发形成微观结构。在储存环中，这通常会导致太赫兹范围内的强烈相干辐射，其功率比标准非相干辐射高几个数量级。然而，这种发射往往具有不稳定的特性，限制了它的实际应用。C. Evain等人提出了一种能够控制电子束的动力学行为的新方法，该方法受到了激光增益切换过程的启发。研究表明，这种方法可以引发束团中的微结构形成，并且能显著增强太赫兹爆发的峰值功率。这一基于射频腔信号调制的方案，在SOLEIL装置上得到了实验验证。

（王泰阳）

Gain Switching of the Microbunching Instability to Produce Giant Bursts of Terahertz Coherent Synchrotron Radiation

C. Evain et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 145001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.145001

Dam Thanh Son等人使用相对论协变的作用原理来处理在变化的外部麦克斯韦场中的导心动力学，该原理再现了已知的Vandervoort漂移速度表达式，并将其扩展到弯曲时空中。研究者们推导了相应的动理学理论和理想流体力学理论。与传统的五方程流体力学不同，由于磁场中的运动受到限制，导心流体力学只需要三个方程。研究表明，这种流体力学适用于动理学理论失效的强耦合等离子体。

（王俊伟）

Relativistic Guiding-Center Motion: Action Principle, Kinetic Theory and Hydrodynamics

Dam Thanh Son et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 145201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.145201

双曲晶格可用于描述电路量子电动力学和电路网络中的一种新型合成量子物质，其中粒子相干地跳跃在二维负弯曲空间的离散分布上。虽然最近提出了实空间方法和倒空间双曲带理论来分析这些系统的能谱，但两组方法之间的存在差异。在本文中，作者首先在高格黎曼曲面上建立双曲带理论和U(N)拓扑杨-米尔斯理论之间的等价来调和这些方法。然后，作者证明了双曲紧束缚模型的态密度矩对应于量子规范理论中威尔逊环的期望值，并且在大N极限下是精确的。

（郭恺怡）

Hyperbolic Lattices and Two-Dimensional Yang-Mills Theory

G. Shankar, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146601

氧化锌(ZnO)中的浅层供体是一种很有前途的光学自旋量子比特。使用等离子体聚焦离子束(PFIB)铣削将单个铟供体分离到商用ZnO衬底中。量子发射体通过空间滤波和频率滤波进行光学识别。铟给体的分配是基于光束缚激子跃迁能和磁依赖性。这些单给体在强度和频率方面的发射稳定性，以及它们的跃迁线宽度小于寿命限制的两倍，突出了单铟给体作为光学可获得的自旋量子比特的前景。单给体制备后的光学稳定性对直接带隙半导体中基于单给体的可扩展量子技术所需的光学器件集成有很大的前景。

（郭恺怡）

Isolation of Single Donors in ZnO

Ethan R. Hansen, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146902 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146902

作者提出了一个理论，说明弱声子介导的相互作用(J_A=1-4 meV)如何克服库仑排斥(U=30-60 meV)，并产生魔角双层石墨烯(MATBG)中的超导电性。作者发现了类似于分子超导体A₃C₆₀家族中的配对机制：MATBG的每个AA堆叠区域类似于C60分子，因为光学声子可以动态地提升莫尔轨道的简并性，类似于动态的Jahn-Teller效应。这种诱导J_A具有谷间反洪德耦合的形式，并且受到莫特绝缘体附近近藤屏蔽的抑制比U小。此外，作者还考虑了由碳原子的在位排斥引起的轨道内洪特耦合J_H。在现实模型的合理近似下，作者证明了准粒子间重归一化的局部相互作用在ν=±(2+δν)的掺杂关联绝缘体中存在一个配对(负)通道，尽管裸相互作用是正定的。该证明是非微扰的，并且基于Ward恒等式所施加的顶点函数的精确渐近行为，预测了超导最优U的存在性。在J_A、J_H的大范围参数空间中，发现基态具有向列d波单重态配对，然而，由于费米表面上的贝里相(或欧拉阻塞)，这可能导致类似p波的节点结构。

（郭婷）

Molecular Pairing in Twisted Bilayer Graphene Superconductivity

Yi-Jie Wang, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146001

作者研究了远离精确可解点的无能隙和有能隙Kitaev量子自旋液相之间的拓扑量子相变的性质。这种相变是由Kitaev耦合的各向异性驱动的。在临界点处，无间隙Majorana模的两个Dirac点合并，形成了具有二次和线性带接触方向的半Dirac点。作者推导了一个有效的Gross-Neveu-Yukawa型场论，描述了存在额外磁相互作用时的拓扑相变。作者得到了动态伊辛阶参数场传播子的红外标度形式，并进行了重整化群分析。作者发现这种相变的普遍性不同于半狄拉克电子的对称破缺相变。然而，就像在电子的情况下一样，Majorana费米子获得了一个反常的维度，这表明分数化准粒子描述不再适用。

（郭婷）

Nature of Topological Phase Transition of Kitaev Quantum Spin Liquids

Huanzhi Hu, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146603 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146603

[编辑推荐] 密度泛函理论计算表明，三维交替磁性材料可以表现出准一维自旋输运的特性，而这一特征此前仅与层状或准一维链状材料相关联。

在三维体系中，准一维（Q1D）输运传统上与具有Q1D链结构的系统相关联。本文基于第一性原理计算，超越了这一理解，展示了某些三维交替磁性（AM）金属即使在实空间缺乏Q1D链结构，也能实现Q1D输运。这些材料包括已知化合物β-Fe₂(PO₄)O、Co₂(PO₄)O和LiTi₂O₄，它们表现出AM基态，并在费米能级附近的每个自旋通道中形成了理想的交叉Z³外尔节点线，由三条贯穿整个布里渊区的直而平坦的节点线构成，最终形成AM Z³节点网。令人惊讶的是，在这些拓扑节点网金属中，上自旋通道的电子电导率σ_xx比σ_yy和σ_zz大数十倍，而在下自旋通道中则以σ_yy为主导。这表明每个自旋通道都具有独特的Q1D输运特征，并且两个自旋通道的主要运动方向是正交的，导致了方向依赖性的Q1D自旋输运。这种新颖的现象在传统的三维块体材料和Q1D链状材料中均未被发现。特别是，当费米能远离节点网时，Q1D自旋输运逐渐消失，进一步证实了其拓扑起源。作者的研究不仅增强了对交替磁性材料中拓扑物理的理解，也为探索拓扑自旋电子学开辟了新的方向。

（马润宇）

Quasi-One-Dimensional Spin Transport in Altermagnetic 𝑍³ Nodal Net Metals

Tingli He, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146602 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146602

二维样品在低温强磁场下时，量子霍尔效应会出现：拓扑保护的边缘态会导致霍尔电导率量子化为e²/h倍数。这里作者证明量子霍尔效应伴随着轨道霍尔效应。作者的计算很好地符合“跳跃轨道”的半经典解释。量子霍尔系统的手性边缘态是轨道极化的，类似于磁性系统中量子反常霍尔效应的假设轨道描述。轨道霍尔电阻率与磁场的二次方成正比，使其在高磁场下占主导地位。

（刘然）

Orbital Hall Effect Accompanying Quantum Hall Effect: Landau Levels Cause Orbital Polarized Edge Currents

Börge Göbel, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146301

作者证明了可以利用邻近效应来设计具有半金属自旋铁电锁定的范德瓦尔斯异质结构（vdWHs），其中铁电和半金属自旋态仅限于不同的层，但通过邻近效应可以相互关联。作者的发现得到了α-Bi/SnSe双层的第一性原理计算的支持。作者证明，这种系统支持铁电可切换的非线性反常霍尔效应，该效应起源于大Berry曲率偶极子，以及具有巨大体自旋电荷相互转换效率的直接和反向自旋霍尔效应。巨大的效应是低能电子态近邻诱导半金属性质的结果，通过对称性分析、第一性原理计算和直接角分辨光电子能谱测量，该系统的行为表现为二维赝Weyl费米子。

（刘然）

Ferroelectric Semimetals with α-Bi/SnSe van der Waals Heterostructures and Their Topological Currents

D. J. P. de Sousa, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146605 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146605

[编辑推荐] 由自旋和谷极化引起的金属分态可以用类似于斯通纳铁磁体的传统分析的解析处理来理解。

作者证明了具有k²或k⁴色散的二维费米子经历了一阶斯通纳转变到完全自旋极化态，尽管自旋磁化率在临界点处发散。作者将分析扩展到具有k^2α色散和自旋和谷同位旋的系统，并表明存在级联的不稳定性到部分金属态，其中一些电子带完全耗尽；当α < 1或α > 2时，部分耗尽带存在狭窄的中间范围。在每次转变附近磁化率会变大。最后作者讨论了这种不连续转变在偏置双层和三层石墨烯，以及莫尔系统中的应用。

（段青卓）

Unconventional Discontinuous Transitions in Isospin Systems

Zachary M. Raines, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146501

[Featured in Physics] [编辑推荐] 在磁碟上施加随时间变化的应变，可诱导涡旋动力学，并提供一条通往节能自旋电子装置的途径。

讨论了磁致伸缩涡旋中随时间变化的应变对陀螺模态的激励。旋涡动力学是由施加在压电基板上的时变电压驱动的，并在射频电流的亚阈值下通过自旋整流电检测。在给定的面内磁场下，当时变应变的频率与旋向频率匹配时，应变诱导的面内磁各向异性导致磁涡流中旋转动力学的共振激励。作者认为对于时间变化应变的中等振幅，非线性回旋动力学已经可以被激发。

（段青卓）

Excitation of the Gyrotropic Mode in a Magnetic Vortex by Time-Varying Strain

Vadym Iurchuk, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146701 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146701

[编辑推荐]利用STEM、单晶X射线衍射和密度泛函理论，解开了单层和三层结构单元对超导La₃Ni₂O₇中电子能带结构的各自贡献。

在14 GPa以上的压力下，La₃Ni₂O₇ 中高温超导性的发现激发了广泛的研究兴趣。然而，超导相的基本性质，包括丝状特性的可能性，目前是有争议的主题。相反，在 La₃Ni₂O₇ 的初步研究中，始终存在沿c轴方向堆叠的 NiO₆ 八面体双层的晶体结构。在这里，研究人员在光学浮动区生长的 La₃Ni₂O₇ 单晶中重新评估了这种结构，这些单晶显示出丝状超导的迹象。在高压下采用扫描透射电子显微镜和单晶X射线衍射，研究人员在这些晶体中观察到多个晶体学相，其中大多数相表现出NiO₆八面体单层和三层交替，这表明与先前提到的双层结构存在严重偏差。利用密度泛函理论，研究人员解开了单层和三层结构单元对 La₃Ni₂O₇ 电子能带结构的单独贡献，为高级理论建模和未来评估单层和三层结构承载超导的潜力提供了坚实的基础。

（温博阳）

Unconventional Crystal Structure of the High-Pressure Superconductor La₃Ni₂O₇

P. Puphal, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146002 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146002

在物理平台中演示马约拉纳零模式的非阿贝尔伊辛统计仍然是物理学中一个重大的开放性挑战。研究人员发现，包含浮动超导岛的马约拉纳干涉仪的线性低频电荷电导可以揭示量子边缘涡旋的拓扑自旋。后者与手性马约拉纳费米子边缘模式相关，代表“飞行”的伊辛任意子。研究人员描述了可能的器件实现方式，并概述了如何通过交流电导测量来检测非阿贝尔任意子编织。

（温博阳）

Non-Abelian Anyon Statistics through ac Conductance of a Majorana Interferometer

Andrea Nava, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146604 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146604

扭曲过渡金属二硫属化合物中低能态的独特结构和对称性导致了自旋-谷锁定空穴之间的强面内自旋交换相互作用。本文证明，当扭曲角足够小，且系统处于莫特绝缘态时，这种交换相互作用能够稳定一个具有量化自旋-Chern数为3的有间隙自旋液相。该自旋液相可以通过Altland-Zirnbauer DIII对称类中的自旋子配对机制来理解。研究还表明，施加垂直电场或增加扭曲角分别会驱动系统向异常霍尔绝缘体或面内反铁磁体的相变。近期的实验表明，在小扭曲角的MoTe₂中，自旋-Chern数为3的相出现，而当扭曲角增大到约2.5°的临界值时，系统则在无外加电场的情况下转变为量子反常霍尔相。

（范增辉）

Spinon Pairing Induced by Chiral In-Plane Exchange and the Stabilization of Odd-Spin Chern Number Spin Liquid in Twisted MoTe₂

Valentin Crépel, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146503 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146503

波前整形技术能够实现光通过或聚焦于强散射介质内，但背景强度的增加会降低目标的对比度。通过结合不同区域的传输矩阵或沉积矩阵，本文构建了联合算符以实现扩散系统中光的空间分辨控制。对比算符的本征模可以最大化目标与其周围环境之间的功率对比。差分算符则能增强目标的功率传递，同时避免背景强度的增加。该研究为波传播中的非局域效应的相干控制及其实际应用打开了新局面。

（范增辉）

Multiregion Light Control in Diffusive Media via Wavefront Shaping

Liam Shaughnessy, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146901 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146901

作者提出了一种理论来解释在NiPS₃中光学实验观察到的接近1.5 eV的低能量光学激发现象。采用ab initio方法，构建了一个双带哈伯德模型来描述两个有效的Ni轨道，其中第三近邻原子间的跃迁起到主要作用。该模型展示了接近两倍Hund交换能量的三重态-单重态激发。作者推导了两个单重态在反铁磁背景中移动的有效模型，并使用广义自洽Born近似方法求解，揭示了这些激发以“单重态极化子”的形式相干运动。

（贾子璇）

Singlet Polaron Theory of Low-Energy Optical Excitations in NiPS₃

I. J. Hamad, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146502 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146502

BiNiO₃表现出一种从Pnma相到  相的非常规金属-绝缘体转变，与Bi位点上的电荷有序相关，显著不同于通常在稀土镍酸盐中观察到的Ni位点电荷有序。采用第一性原理计算，作者揭示了这一相变中被忽视的中间P2₁/m桥接相及其多自由度之间的复杂相互作用。作者进一步指出，  相中Bi位点的电荷有序并非唯一，另一种能量几乎简并的Pmn2₁极性铁电相展现了强度为53 μC/cm²的面内电极化，这一极性直接来源于电荷有序。Pmn2₁与  相的相近能量和低能量势垒使BiNiO₃成为一种潜在的电子反铁电体，其中，场诱导的非极性到极性相变与非绝热的晶格间电子转移有关。此外，研究表明通过应变工程及选择合适的衬底可以在薄膜中得到稳定的电子铁电基态。

（贾子璇）

Latent Electronic (Anti-)Ferroelectricity in BiNiO₃

Subhadeep Bandyopadhyay, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 146801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.146801

随机电势中的经典粒子及其与环境的耗散耦合提供了一个关于电荷传输的简化模型。当无序和耗散都很弱时，对应的非平衡稳态可解析确定。本文利用该模型来阐明非平衡统计力学中的一些基本问题。研究表明，非线性耗散响应显著依赖于系统与环境的耦合，而线性响应理论的有效范围也取决于这种耦合。该结果证实了范坎彭（Van Kampen）关于系统与环境的耦合是线性响应理论适用的必要条件的论断。作者还证明，最小熵增原则并不能确定电场线性阶以上的非平衡稳态，而最大熵原则在线性阶时就已无法产生正确的非平衡稳态。

Soluble Model of a Nonequilibrium Steady State: The Van Kampen Objection and Other Lessons

Anton Kapustin

Phys. Rev. Lett. 133, 147101 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.147101

在空间中，具有长程关联的统计系统的平衡涨落可以在边界上产生有效的作用力。Fava等人展示了在群集活性物质提供非平衡背景下卡西米尔力的发生。特别地，他们考虑在两个空间维度上排列自驱动粒子的系统，这些粒子受到反射或部分反射墙的横向限制。研究表明，在有序的群集相中，这种受限的活性矢量流具有更广泛的边界层特征，而并不是通常在受限的标量活性物质中观察到的有限边界层。此外，壁面上的压力出现了有限大小的涨落引起的贡献，随着壁面之间距离的增加，这种贡献缓慢而代数地衰减。他们在密度和速度场的流体力学描述中解释了这一发现及其一定的普遍性。

（张一鸣）

Strong Casimir-like Forces in Flocking Active Matter

G. Fava et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 148301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.148301

双链DNA或RNA局部融化和形成扭结的能力导致了强烈的非线性弹性效应，这在定性上影响了它们在密闭空间中的包装。利用解析理论和数值模拟，J. D. Farrell等人证明了扭结的形成需要双链DNA或RNA在球形衣壳中的混合线轴向列排列，包括外部线轴结构域和内部扭曲的向列结构域。这些发现解释了实验中观察到的病毒衣壳的向列结构域，并暗示非线性弹性必须考虑到预测病毒、细菌类核或基因传递载体中双链基因组的结构和动力学。非线性弹性理论表明，轴向有序是强受限扭结聚合物的一个普遍特征。

（张一鸣）

Spool-Nematic Ordering of dsDNA and dsRNA under Confinement

J. D. Farrell et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 148101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.148101

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