PRL导读-2024年133卷04期

马尔可夫多体开放量子系统显示出复杂的弛豫动力学。刘维尔算符的谱隙表征了向稳态的渐近衰变率，但最近有人指出，谱隙不一定决定整体弛豫时间。作者对渐近长期状态之前的弛豫过程的理解仍然有限。作者在这里提出了自相关函数在稳态下的集体弛豫动力学。作为分析中的一个关键量，作者引入了瞬时衰减率，它表征了瞬态弛豫，并在长期极限内收敛到传统的渐近衰减率。作者的理论预测，由于与算子扩展相关的量子信息的混乱，体耗散系统通常在渐近状态之前表现出加速衰减。

（刘承葛）

Accelerated Decay due to Operator Spreading in Bulk-Dissipated Quantum Systems

T. Shirai and T. Mori

Phys. Rev. Lett. 133, 040201 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.040201

学习高维态的物理性质对于开发量子技术至关重要，但通常会消耗大量在实践中难以负担的样本。在这篇快报中，作者使用量子计量学的方法来解决这一难题，提出了一种基于纠缠测量的策略，以大大降低样品的复杂性。该策略的特征是可观测值的对称化，其动力来自对物理学中普遍存在的对称态结构的探索。它在某些自然假设下是可证明的最优的，可以在各种环境中有效地实现，并且能够作为基本构建块纳入现有方法中。作者将该策略应用于实验驱动的不同场景，证明了样本复杂性的指数级降低。

（刘承葛）

Inferring Physical Properties of Symmetric States from the Fewest Copies

Da-Jian Zhang and D. M. Tong

Phys. Rev. Lett. 133, 040202 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.040202

描述纠缠是量子信息科学的核心。指示纠缠的特殊可观测值，即所谓的纠缠证据，是这项任务中广泛使用的工具。这些证据的构建通常依赖于以下观察，那就是量子态以高保真度与某些纠缠的目标态也是纠缠的。作者介绍了一种基于可观测值施密特分解的构造纠缠见证的一般方法。该方法适用于双粒子和多粒子系统，并且严格强于基于保真度的构造。由此产生的证据也可用于量化纠缠并表征其维度。最后，作者给出了实验相关的例子，作者的方法显著提高了纠缠检测。

（刘承葛）

Analyzing Quantum Entanglement with the Schmidt Decomposition in Operator Space

Chengjie Zhang, S. Denker, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 040203 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.040203

作者实验性地探测了量子开关与热力学定律的相互作用。量子开关将两个通道置于有序叠加态中，并可应用于热化通道。量子开关热通道已被证明会出现第二定律的表面违反现象。这些表面违反的核心在于量子开关通道可以如何增加信息通信的容量。作者实验性地展示了这种增加以及它是如何与热力学定律一致的，从而展示了热力学资源的消耗方式。作者使用核磁共振方法，相干控制核自旋量子比特之间的相互作用。作者验证了一个保持能量和热态的通道容量增加的分析上限，并证明了对于能量改变的通道可以超越这个界限。作者展示了开关如何被用来将一个热态转变为一个非热态，同时消耗与控制系统的相干性相关的自由能。结果显示了开关如何可以作为额外资源被纳入量子热力学实验中。

（张皓玥）

Experimental Validation of Enhanced Information Capacity by Quantum Switch in Accordance with Thermodynamic Laws

Cheng Xi, Xiangjing Liu, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 040401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.040401

作者将临界量子传感与被动量子策略进行比较，用于执行单模二次哈密顿量的频率估计。作者展示，在幺正情况下，这两种策略都可以实现光子数平方的精度，但在耗散存在的情况下，这一点仅对临界策略成立。作者还确定，在异常点或超出阈值工作提供的性能是次优的。这种临界增强是由于在开放的临界动力学中出现的瞬态过程，且对温度变化具有不变性。当考虑时间和系统大小作为资源时，对于这两种策略，精度都与总时间和光子数的乘积线性相关，符合基本界限。然而，作者展示了如果制备和测量时间不可忽视，则临界协议的性能优于最优被动策略。作者的结果适用于各式各样的临界传感器，其现象可以简化为单模二次哈密顿量，包括由有限组分和全连接模型描述的系统。

（张皓玥）

Optimality and Noise Resilience of Critical Quantum Sensing

U. Alushi, W. Górecki, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 040801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.040801

作者对通过测量已知温度的吉布斯热态来估计未知哈密顿参数的最优精度进行了上限和下限的界定。这些边界依赖于包含参数的哈密顿量的不确定性以及该项与完整哈密顿量的非对易程度：更高的不确定性和可交换的算符会导致更好的精度。作者应用这些边界来展示存在这样的纠缠热态，即参数的估计误差降低速率超过1/√n，突破了标准量子极限。这一结果支配着未知标量参数（例如，磁场的一个分量）与n个量子比特传感器局部且相同地耦合的哈密顿量。在高温范围内，作者的边界允许精确定位最优估计误差，直至一个常数前因子。作者的边界还可以推广到多参数的联合估计。在这种情况下，作者恢复了之前通过基于量子态鉴别和编码理论的技术推导出的高温样本尺度。在一个应用中，作者展示了非对易守恒量阻碍了化学势的估计。

（张皓玥）

Estimation of Hamiltonian Parameters from Thermal States

L. P. García-Pintos, K. Bharti, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 040802 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.040802

作者报告了对于能量高于10EeV的超高能宇宙线（UHECR）的发射质量构成的计算。此构成通过依赖能量的UHECR事件在天空中的分布导出，这些事件是由望远镜阵列面探测器通过与局域宇宙的大尺度结构对比得到的。在河外磁场（EGMF）可忽略的情况下，此结果与在E~10EeV时相对较重、在E~100EeV时变轻的发射构成一致，而此构成在E>100EeV时非常重。后者即使在最高实验允许河外磁场下也成立，而如果存在强的EGMF，此构成在低能时会变轻。河外磁场的不确定性对这些结果的影响处于次主导地位。

Isotropy of Cosmic Rays beyond 10²⁰  eV Favors Their Heavy Mass Composition

R. U. Abbasi et al. (Telescope Array Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 041001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.041001

[Featured in Physics] [编辑推荐]仅由光形成黑洞的过程为广义相对论所容许，但新研究表明量子理论会排除这种情况。

作者证明将光压缩到足以形成事件视界是不可能的。他们认为来自光的自相互作用（如真空极化）的耗散量子效应足以避免任何有意义的能量聚积，这使在真实情况下不可能产生黑洞。

No Black Holes from Light

Álvaro Álvarez-Domínguez et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 041401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.041401

对于单举μ子中微子带电流相互作用道，作者报告了首个在包含和不包含质子的末态，同时进行的双微分中微子-氩散射截面测量。作者通过一个拓展到探测阈值之外的、作为主导质子动能函数的微分截面的测量，进一步探讨了该道中的质子运动学特性。这些测量使用了MicroBooNE探测器收集的数据，数据来自Fermilab助推中微子束在6.4×10²⁰个质子上靶的实验，平均中微子能量约为0.8 GeV。实验里采用了大量条件约束形式的数据驱动模型验证。这激发了用经验加权方法来扩大不确定性，从而尽量减少提取出有偏差的截面结果的可能性。提取出的名义通量平均截面与广泛使用的事例生成器预测的结果进行了比较，揭示了μ子中微子带电流相互作用在没有质子的末态下的严重误建模，这可能源自对末态相互作用处理的不足。这些测量提供了大量有助于改进事例生成器的新的信息，将增强中微子实验中精密测量的灵敏度。

First Simultaneous Measurement of Differential Muon-Neutrino Charged-Current Cross Sections on Argon for Final States with and without Protons Using MicroBooNE Data

P. Abratenko et al. (MicroBooNE Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 041801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.041801

超精细劈裂的精确谱学是研究原子核结构和检验量子电动力学的重要工具。然而，双光子交换效应的准确计算限制了理论预言的精确性。Chen Ji等人提出了一种新方法，考虑了双光子交换中的原子核激发和反冲，为轻的普通原子和μ原子超精细劈裂中的双光子交换效应提供了模型无关的描述。将新方法与次次领头阶的无π介子有效场论结合，他们预测在氘的1S态中，超精细劈裂中的双光子交换效应是41.7(4.4) kHz，在μ氘的2S态中是0.117(13) meV。这些结果与最近的实验测量在1σ和1.3σ的范围内一致，强调了原子核结构效应对超精细劈裂的重要性，也表明有必要在未来开展更高精度的实验测量。

Nuclear Structure Effects on Hyperfine Splittings in Ordinary and Muonic Deuterium

Chen Ji et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 042502 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.042502

Xu等人基于欧洲核子中心（CERN）的ISOLDE衰变站，研究了^51,52,53K的衰变，旨在理解β缓发中子发射（βn）过程的机制。实验定量给出了每个β衰变过程之后的中子和γ射线发射路径。他们利用这些信息检验了玻尔在1939年首次提出的假说，即βn过程中的中子来源于无结构的“复合核”。对于大多数观测到的衰变路径，实验数据与玻尔的假说相符。然而，这一结果是令人惊讶的，因为在他们所研究的β衰变中，由于中子发射核的激发能和能级密度不够，不应该存在复合核阶段。在⁵³K的βn衰变中，他们发现⁵²Ca的第一激发态会被优先布居，这与玻尔的假说矛盾。后者被视为直接中子发射（对中子非束缚态的结构非常敏感）的证据。他们建议，观测到的非统计中子发射是通过与具有高中子发射概率的近门态耦合进行的。“复合核”衰变的出现是由于更高能量处多重门态小贡献的累计所导致的。

Compound-Nucleus and Doorway-State Decays of β-Delayed Neutron Emitters ^51,52,53K

Z. Y. Xu et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 042501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.042501

通过四维相对论模拟，首次揭示了氢离子从Poincaré场到电子的有效螺旋转移。由于Poincaré场在光-物质自旋耦合中的重要作用，本文选择了磁多极Poincaré场，并对单模和多模x射线脉冲辐射下的Ne⁹⁺离子进行了计算。两个不同螺旋的光电子从离子系统中同步出现，它们的方向性可以通过辐射模数来控制。螺旋密度分布显示出由喷流、螺旋和环等组成的新颖结构，这是原子和场参数结合所特有的。作者利用Poincaré场产生自旋极化轻子的方法可能为基于先进数值能力的螺旋度表征提供一个新的平台。

Spin-Polarization Control of Photoelectrons Using Poincaré Fields

Daniel Younis, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 043201 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.043201

本文报道了基于双分量玻色-哈伯德模型的一维链中自旋为1复合玻色子的海森堡模型的实验模拟。利用他们的位置分辨和自旋分辨量子气体显微镜，作者观察到自旋为1的系统比自旋为1/2的系统有更快的超交换动力学，这归因于多玻色子的增强效应。作者进一步探讨了由超交换和单离子各向异性项驱动的非平衡自旋动力学，揭示了自旋-自旋关联的线性扩展，它受限于Lieb-Robinson界限。基于超交换过程，作者制备并验证了这些复合自旋为1的玻色子的纠缠量子对，有望应用于基于量子元的量子信息处理。

Microscopic Study on Superexchange Dynamics of Composite Spin-1 Bosons

An Luo, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 043401 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.043401

实现对多量子发射的精确控制是量子信息处理的关键，特别是当与先进的量子态操纵技术相结合时。在此，通过旋转谐振腔诱导Sagnac效应，作者可以在光驱动共振跃迁的条件下获得非互易光子-声子和光子-磁振子超拉比振荡。打开这种超拉比振荡的耗散通道，通过将纯多量子态转移到系统外的束状多量子态，可以实现纠缠光子-声子对和光子-磁振子对的定向束发射。这种非互易束发射是一种可以精确控制的灵活开关，通过从不同方向驱动谐振器，甚至可以出现不同纠缠对(如光子-声子或光子-磁振子对)的同时发射，但方向相反。这种灵活操作系统的能力使我们能够实现有向的纠缠多量子发射器，在构建混合量子网络和片上量子通信方面也具有潜在的应用。

Nonreciprocal Bundle Emissions of Quantum Entangled Pairs

Qian Bin, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 043601 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.043601

Ke Hu等人建议利用偏振定制的高功率激光脉冲从固体箔靶边缘提取和加速电子，以产生孤立的亚飞秒电子束。激光脉冲由两个时间延迟与脉冲持续时间相当的正交偏振分量组成，因此，脉冲中间的偏振会在几个光学周期内快速旋转90°以上。三维粒子模拟显示，当这种光脉冲在等离子体箔边缘发生衍射时，一系列孤立的相对论电子束会被发射到由变化的偏振决定的分散方位角。与其他大多数需要超短驱动激光器的方法相比，Ke Hu等人证明他们所提出的方案在使用高功率激光设备发出的典型多周期（30 fs）脉冲时表现很好。产生的电子束有着几百阿秒的典型持续时间和几十皮库的电荷。

（王俊伟）

Generation of Isolated Subfemtosecond Electron Bunches by the Diffraction of a Polarization-Tailored Intense Laser Beam

Ke Hu et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 045001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.045001

Shrock等人的研究表明，低密度流体动力学等离子体米级波导中，多Gev激光尾场电子加速器在一种新的非线性传播机制下运行，这一机制由有质动力修正通道的最低阶模的持续拍频主导；无论注入的脉冲是否与波导线性匹配，都会发生这种情况。对于连续掺杂的气体射流，这种出射模式拍频效应导致电离注入的轴向调制增强以及多个准单能峰的多GeV能谱；在局部掺杂的射流中，相同的过程会产生能量分布<10%的单个多GeV峰。一个驱动激光脉冲演化和电离注入的三阶段模型描述了拍频效应，并解释了上述实验结果。

（康战）

Guided Mode Evolution and Ionization Injection in Meter-Scale Multi-GeV Laser Wakefield Accelerators

J. E. Shrock et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 045002 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.045002

[Editors’ Suggestion] Data analysis from the TRICE-2 sounding rocket in the auroral ionosphere revealed a regime of inertial Alfvén wave turbulence with properties distinct from heliospheric and solar wind plasma turbulence that allows the identification of features related to ionospheric plasma and turbulence cascade which are difficult to access in the laboratory.

Francesca Di Mare等人利用TRICE-2探空火箭的电场和磁场测量数据，研究了在极光电离层极低β等离子体中观测到的一种惯性Alfvén波湍流新机制。结合观测到的电场和磁场频谱特征以及惯性Alfvén波的线性特性，研究者们推导了各向异性湍流级联在波矢空间中的路径。研究发现了一个临界平衡级联，从惯性范围的磁流体力学尺度向下到等离子体趋肤深度的垂直尺度，然后是离子惯性尺度的平行级联。Francesca Di Mare等人推测，级联的阻尼由质子回旋阻尼和电子Landau阻尼共同引起。

（杨宁）

New Regime of Inertial Alfvén Wave Turbulence in the Auroral Ionosphere

Francesca Di Mare and Gregory G. Howes

Phys. Rev. Lett. 133, 045201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.045201

[Editors’ Suggestion] The largest 3D fully kinetic shearing-box simulations of pair-plasma magnetorotational turbulence which take into account the radiation reaction self-consistently show how particles can be accelerated efficiently to nonthermal energies independently of initial conditions.

Fabio Bacchini等人提出了一种成对等离子体（pair-plasma）磁旋转湍流的三维全动理学剪切盒模拟，实现了前所未有的宏观到微观尺度的分离。模拟复现了等离子体在大尺度上预期的流体行为，同时还观察到湍流谱在动理学尺度上的陡峭化以及与动理学过程相关的显著角动量输运。Fabio Bacchini等人首次利用同步辐射冷却的新方法，在不依赖剪切盒初始条件的情况下，给出了动理学磁旋转湍流中非热粒子加速的确凿证据。

（杨宁）

Collisionless Magnetorotational Turbulence in Pair Plasmas: Steady-state Dynamics, Particle Acceleration, and Radiative Cooling

Fabio Bacchini et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 045202 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.045202

声子色散关系被广泛用于解释材料的振动特性。作为一种新兴技术，扫描透射电子显微镜中的动量分辨振动光谱技术可以以一种前所未有的方法来探究局域结构中q相关声子行为。在本研究中，Li等人利用这种技术系统地研究了单层石墨烯在多个布里渊区的声子色散，发现光学声子信号在Γ点（指数hk0满足h+2k=3n，n为整数）处消失。理论分析表明，这种现象是由不同基原子散射波的完全相消干引起的。对金刚石的研究证明了这一观察结果，它应该是由对称等价的成对相同元素所组成材料的普遍特性。此外，他们的结果还强调了多重散射在解释块体材料振动信号的重要性。他们的工作表明了之前未受到足够重视的系统性缺失和动态效应，为材料局域振动特性的实验评估提供了新的见解。  

（冯盼君）

Systematic Absences of Optical Phonon Modes in Phonon Dispersion Measured by Electron Microscopy

Aowen Li et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 046101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046101

[编辑推荐]氮化物外延层在范德华基底上的生长遵循新的生长机制，不同于以往已知材料生长模型。

非范德华（vdw）氮化物外延层在范德华基底上的成功生长，不仅为获得高质量半导体薄膜提供了前所未有的机会，也引起了对其生长机制的激烈讨论。在此，Hu等人以石墨烯上的AIN为例，结合多尺度计算方法和实验表征，提出这种生长机制可能属于一种新的模型并称之为杂化范德华外延（HVE）。原子尺度模拟表明AIN和石墨烯之间可以产生一种独特的界面HVE相互作用，他们基于第一性原理建立了连续生长模型来捕获HVE不同寻常的特性。令人惊讶的是，在HVE中，面内和面外的生长是强关联的，这在现有的生长模型中是不存在的。他们用实验测量结果证实了HVE的概念，提出了一种超越现有材料生长范畴的新型生长机制。

（冯盼君）

Hybrid van der Waals Epitaxy

Lin Hu et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 046102 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046102

Molecular crystals play a central role in a wide range of scientific fields, including pharmaceuticals and organic semiconductor devices. However, they are challenging systems to model accurately with computational approaches because of a delicate interplay of intermolecular interactions such as hydrogen bonding and Van der Waals dispersion forces. Here, by exploiting recent algorithmic developments, we report the first set of diffusion Monte Carlo lattice energies for all 23 molecular crystals in the popular and widely used X23 dataset. Comparisons with previous state-of-the-art lattice energy predictions (on a subset of the dataset) and a careful analysis of experimental sublimation enthalpies reveals that high-accuracy computational methods are now at least as reliable as (computationally derived) experiments for the lattice energies of molecular crystals. Overall, this work demonstrates the feasibility of high-level explicitly correlated electronic structure methods for broad benchmarking studies in complex condensed phase systems, and signposts a route towards closer agreement between experiment and simulation.

How Accurate Are Simulations and Experiments for the Lattice Energies of Molecular Crystals?

Flaviano Della Pia et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 046401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046401

[编辑推荐] 用共振非弹性x射线散射法测定了空隙尖晶石GaTa₄Se₈中的簇莫特性质。

簇莫特绝缘体中的准分子轨道提供了一种定制交换相互作用的途径，可能会产生新的物质量子相。在这里，Magnaterra 等人利用共振非弹性x射线散射（RIXS）在Ta L₃边缘验证了空隙尖晶石GaTa₄Se₈中的簇莫特性质。电子在Ta₄四面体上全部离域，形成了准分子J_tet=3/2矩。根据RIXS强度与传递动量q的函数关系，可以确定簇波函数（取决于相互竞争的具有不同特征混合态的簇内跃迁项）。这种混合波函数对宏观性质起决定性作用，因为它影响簇间跃迁和交换相互作用，并进一步使有效自旋轨道耦合常数重正化。通过簇内跃迁可调控的通用波函数，为研究空隙尖晶石和簇莫特绝缘体开辟了一个新的视角。

（冯盼君）

Quasimolecular J_tet=3/2 Moments in the Cluster Mott Insulator GaTa₄Se₈

M. Magnaterra et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 046501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046501

了解金属磁有序体系中的自旋和晶格激发是揭示磁和晶格交换耦合及其与巡回电子相互作用的基础。Kagome晶格反铁磁体 FeGe非常有趣，因为它在反铁磁有序相深处显示出罕见的电荷密度波 (CDW)，并与磁有序相互作用。Teng等人利用中子散射研究了FeGe中跨越电荷密度波转变T_CDW的自旋和晶格激发的演化。虽然低于100 meV的自旋激发可以用spin-1海森堡哈密顿量的自旋波很好地描述，但更高能量的自旋激发以布里渊区边界为中心，并延伸到180 meV，这与跨越自旋极化电子-空穴费米面上的准粒子激发一致。此外，c轴自旋波色散和Fe-Ge光学声子模式由于自旋-电荷-晶格耦合在T_CDW以下显示出明显的硬化，但没有出现声子Kohn异常。通过对比实验和密度泛函理论计算结果，他们得出结论，FeGe是一种处于中间关联状态的洪特金属，其磁性来自于费米能级附近自旋极化电子能带中的巡游电子和局域电子。

（冯盼君）

Spin-Charge-Lattice Coupling across the Charge Density Wave Transition in a Kagome Lattice Antiferromagnet

Xiaokun Teng et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 046502 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046502

Kagome自旋冰可以通过翻转其局域自旋来承载阻挫磁激发。在非弹性隧穿条件下，扫描隧道显微镜的尖端可以翻转局域自旋，Deng等人将此技术应用于具有长程有序自旋冰基态的Kagome金属HoAgGe。在远离缺陷处，他们发现在对称偏置电压下，局域隧穿谱中有一对明显的下降，其强度值为负，这是一个明显的非弹性隧穿信号。该信号在自旋冰形成温度以上消失，且具有磁场依赖性，表明其与自旋冰磁性密切相关。他们提出了一个双能级自旋翻转模型（考虑自旋轨道耦合）来解释隧穿下降。该结果解释了Kagome金属中涌现的自旋冰磁性的局域激发，表明局域电场诱导自旋翻转跨越了由自旋轨道锁定导致的障碍。

（冯盼君）

Local Excitation of Kagome Spin Ice Magnetism Seen by Scanning Tunneling Microscopy

Hanbin Deng et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 046503 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046503

[编辑推荐]一种基于自旋泵浦和对称性的方法可以分开RuO₂和其他交变磁体中自旋霍尔效应和自旋劈裂现象的影响。

利用自旋泵浦，Wang等人对比研究了RuO₂（101）和（110）取向薄膜中的自旋-电荷转换。RuO₂（101）薄膜显示出鲁棒的面内晶体轴依赖性，而RuO₂（110）薄膜则具有各向同性但比之更强。对称性分析和第一性原理计算结果表明RuO₂（110）薄膜中的自旋电荷转换来自于节点线劈裂引起的逆自旋霍尔效应（ISHE）。在（101）薄膜中，尽管可能同时存在逆自旋劈裂效应（ISSE），但ISHE仍然占主导地位。这些发现与之前归因于的ISSE形成鲜明对比，被自旋泵浦和自旋转矩铁磁共振的测量结果进一步证实。 

（冯盼君）

Inverse Spin Hall Effect Dominated Spin-Charge Conversion in (101) and (110)-Oriented RuO₂ Films

Z. Q. Wang et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 046701 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046701

稀土替代的多铁性BiFeO₃材料，已成为实现超低能耗散逻辑或存储器件的有前途的候选者，但涉及电学，结构和磁自由度的转换机制的基本细节尚未完全清楚，特别是在单相形式下。本文基于第一性原理的计算，将Nd掺杂BiFeO₃作为模型系统进行了研究。该结构可以产生减弱的P-E磁滞回线，具有可调的八面体倾斜的铁电性，并且面内和面外铁磁都可以由外加电场控制。这种转换行为可以用Landau-type模型很好地解释，在该模型中，磁电耦合是间接的，由八面体倾斜介导。研究还进一步讨论了不同成分和温度的影响，揭示了极化转换与磁化控制鲁棒性之间的重要相关性。

（冯盼君）

Electric Control of Magnetism in Multiferroic Rare-Earth-Substituted BiFeO₃ with Ferrielectricity

Shiji Xu et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 046801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046801

[编辑推荐]铁电PbTiO₃中螺旋偶极子螺旋的出现有望将压电响应提高约400%。

独立铁电氧化物薄膜可以作为探索拓扑极化序和偶极相互作用之间相互作用的一个有前景的平台，这些相互作用可以通过应变连续调节。Hu等人结合密度泛函理论（DFT）和深度学习辅助的分子动力学模拟进行的研究表明，DFT预测的压力驱动的包括单斜相的准同型相边界在室温下表现为不同的畴结构，其特征是偶极子取向和可移动畴壁的连续分布。动态结构的详细分析表明，在拉伸的PbTiO₃膜中观察到的增强压电响应是由畴壁处偶极子的小角度旋转引起的，这与传统的极化旋转机制和从静态结构推断的自适应相理论不同。他们发现了一个被称为“偶极螺旋”的铁电拓扑结构，其展示出巨大的内禀压电响应（>320 pC/N）。这种螺旋结构具有一个旋转的零能模，为探索手性声子动力学和偶极类DM相互作用开辟了新的可能性。

（冯盼君）

Giant Piezoelectric Effects of Topological Structures in Stretched Ferroelectric Membranes

Yihao Hu et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 046802 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046802

[编辑推荐]准粒子在各向同性辐射旋场和外部静磁场联合作用下表现得像磁单极子。

与在库伦力作用下加速的典型电流相反，只有少数粒子在凝聚态物质中受到与恒定外磁场成正比的力。在本文中，Marqués 等提出了一种基于各向同性辐射旋场和磁光效应的新方案，其中粒子像磁单极子一样被磁场推动。这是一种纯粹的非互易效应，因为互易等效物（手性偶极子）尽管呈现二向色响应，但在旋场照射下不会受到任何力。他们发现磁光偶极子上冲击辐射诱导的“磁荷”与磁场的螺旋度呈线性关系。此外，这种人工单极子具有二色性的永久光扭矩，并且不会与外电场相互作用。

（冯盼君）

Magneto-optical Particles in Isotropic Spinning Fields Mimic Magnetic Monopoles

Manuel I. Marqués et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 046901 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046901

[编辑推荐]在转角WSe₂双层莫尔带间的集体电子激发可以通过共振非弹性光散射来探测，这是一种可以获得莫尔带并研究它们独特性质的灵敏方法。

Saigal 等人利用低温共振非弹性光散射(RILS)光谱仪作为工具，通过获取集体莫尔带间激发(IMBEs)来探测转角WSe₂双层中一系列莫尔带的形成。他们在RILS光谱中观察到了共振，其能量与基于从头算的连续体模型获得的莫尔带间跃迁一致。他们报道了转角为8°时第一和第二莫尔带间的转换，和转角为3°时第一、第三以及更高莫尔带间的转换。后者的IMBE信号突显了与抛物线带的强烈偏离，平坦的微带表现出与理论一致的非常高的态密度。这些观测结果使他们能够量化与关联物理学相关的态所在的K点的跃迁能量。

（冯盼君）

Collective Charge Excitations between Moiré Minibands in Twisted WSe₂ Bilayers Probed with Resonant Inelastic Light Scattering

Nihit Saigal et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 046902 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046902

Bai等人从第一性原理出发，提出了一种研究绝缘体和半导体中自陷激子（STEs）的新形式和有效的计算框架。利用多体Bethe-Salpeter方程结合微扰理论，他们能够在微扰方案中获得模式和动量分辨的激子-声子耦合矩阵元，并精确求解电子（空穴）的实空间局域化以及晶格畸变。此外，该方法可以使他们计算STE势能面，评估STE形成能和Stokes位移。他们利用二维磁性半导体三卤化铬和具有暗激子特性的宽带绝缘体BeO验证了这个方法，并且预测了它们的Stokes位移和相干声子的产生，这有助于激发未来的实验，如光致发光和瞬态吸收研究。 

（冯盼君）

Ab Initio Self-Trapped Excitons

Yunfei Bai et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 046903 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046903

A spin filter is a device that allows only a single spin state to pass, equivalent to a polarizing filter for a beam of light. Here, taking inspiration from shortcuts to adiabaticity, I demonstrate that the potential landscape of a typical quantum point contact can be tuned to act as a two terminal spin filter or to generate a spin-polarized beam. The effect presented is sufficiently robust that rough engineering yields a significant effect, as demonstrated by experiments on asymmetrically biased quantum point contacts in InAs quantum wells.

Spin Polarization via Adiabatic and Counterdiabatic Engineering

Samuel Bladwell

Phys. Rev. Lett. 133, 047001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.047001

大偏差理论为研究稀有事件的渐近行为提供了有效的统计框架。然而，面对实际应用场景时可能面临观测数据不足的问题，即无法满足渐近状态或判断大偏差估计量是否收敛所需的数据量。针对这个问题，Debiossac等人研究了受非平衡反馈控制的悬浮纳米粒子随机功和热的大偏差性质。该设定允许使用不需要概率分布的收敛性准则来确定每个量的大偏差估计收敛域。通过计算渐近指数衰减和次指数前因子，作者展示了奇异前因子显著限制了奇异点附近的收敛特性。研究结果为渐近大偏差极限方法提供了独特见解，并揭示了奇异前因子的关键作用。

Convergence to the Asymptotic Large Deviation Limit

Maxime Debiossac et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 047101 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.047101

多节点组成的开放系统中可以观察到相互耦合引起的同步以及新旧节点替换的更迭(turnover)。尽管这些现象可以同时发生，但耦合和更迭之间的相互作用却研究较少。因此，Ozawa等人研究了含有更迭的耦合相位振子，发现了取决于耦合和更迭的两类不同相变：去同步和随机振荡淬火。其中，后者要求更迭和耦合均足够强。

Two Distinct Transitions in a Population of Coupled Oscillators with Turnover: Desynchronization and Stochastic Oscillation Quenching

Ayumi Ozawa et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 047201 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.047201

自然系统的动力学描述和建模通常集中于不动点，因此鞍点和基于鞍点的相空间概念(如异宿通道或环等)是准稳长瞬态涌现背后的核心概念。然而，实际含噪系统中观察到的可靠且鲁棒的瞬态行为并不符合基于鞍点的动力学。在本文中，Koch等人将幽灵态的概念进行了推广，提出了一个不依赖于稳定或非稳定不动点精确信息或存在性的补充框架；该框架仅依赖于幽灵通道和幽灵循环中的缓慢定向流。这些新发现是一大类描述自然系统典型模型的涌现性质。

Ghost Channels and Ghost Cycles Guiding Long Transients in Dynamical Systems

D. Koch et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 047202 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.047202

[编辑推荐] 在任意远离平衡态的情况下，对网络中单条边的转移率进行扰动，任何两个稳态网络流都会线性相关。

对于连续时间马尔可夫链和开放单分子化学反应网络，Harunari等人证明了任意远平衡态情况下，对网络单条边的转移率进行扰动，则任何两条稳态流都是线性相关的。作者将结果推广到频域中的非稳流，给出了基于网络拓扑的流-敏感度的显式表达式，并讨论了可能的推广形式。在实际场景中，互线性关系具有预测能力并可作为推断或模型验证的工具。

Mutual Linearity of Nonequilibrium Network Currents

Pedro E. Harunari et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 047401 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.047401

渗流是研究网络宏观连通性与微观结构之间关系的重要理论方法。针对网络中的资源消耗和枯竭，Kim等人提出了一个新的键渗流模型，即最短路径渗流。具体而言，当连接起点和终点的某条最短路径低于特定预算(budget)时，则移除该路径上的所有边，因此网络的宏观连通性会逐渐被破坏，从而导致渗流相变。作者研究了同质随机网络中的最短路径渗流相变，其中起点和终点是随机产生的。研究结果表明，如果预算有限，该相变与普通渗流相变是相同的，即随着边被移除，最大连通子图会逐渐收缩；如果预算无限，该相变比普通渗流相变更为突然，表现为最大连通子图突然碎裂成许多大小相似的子团。

Shortest-Path Percolation on Random Networks

Minsuk Kim and Filippo Radicchi

Phys. Rev. Lett. 133, 047402 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.047402

拓扑异构化网络(TINs)可以编程成许多聚合物，表现出独特的和空间定义的(热)机械性能。然而，在微观水平上捕捉拓扑转换的动力学并揭示力学性能调制的内在机制是一个重大挑战。Q. Chen等人采用粗粒化分子动力学模拟和反应动力学理论相结合的方法，揭示了动态键交换反应对支链拓扑结构的影响。结果表明，支链的接枝单元服从几何分布，具有收敛的均匀性，而这种均匀性仅取决于支链的平均接枝单元。此外，他们证明了拓扑结构可以导致机械性能的自发调制。该理论框架为研究TINs的拓扑结构和力学性能提供了一种研究范式。

（张一鸣）

Topological Programmability of Isomerizable Polymers

Q. Chen et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 048101 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.048101

Lisio等人采用快速扫描量热法来监测玻璃状聚合物的等温老化动力学，并辅以其他玻璃的测量。除了跟踪玻璃焓态的时间演变外，他们还监测了反玻化宽度在加热时的老化动力学∆T_dev。他们发现，在玻璃化转变温度T_g以下，玻璃化焓比∆T_dev更早达到平衡，并随着时效时间的延长向非均质性增强方向发展。因此，他们的结果表明，描述玻璃材料的时间依赖演化需要的信息不仅仅是描述其焓态。

（张一鸣）

Twofold Facet of Kinetics of Glass Aging

V. D. Lisio, L. A. Rocchi and D. Cangialosi

Phys. Rev. Lett. 133, 048201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.048201

Knippenberg等人研究了活性布朗粒子(APs)的结构和动力学性质，这些粒子被限制在一个软环形通道内。根据约束强度和Peclet数，他们观察到一种新的可重入行为，这在无约束系统中是不存在的。他们的研究结果得到了数值模拟和分析考虑的证实，揭示了这种行为是由Peclet数和APs的有效约束维之间的强耦合引起的。他们的工作强调了APs软边界的特性以及如何在这种条件下避免阻塞。

（张一鸣）

Motility-Induced Clustering of Active Particles under Soft Confinement

T. Knippenberg, et al.

Phys. Rev. Lett, 133, 048301 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.048301

[Featured in Physics] [编辑推荐]在一组移动机器人的桌面实验中，科学家揭示了藻类是如何同步两根拍打的纤毛来推动自己前进的。

直接的机械耦合是建立纤毛同步运动的关键。然而这些机械耦合的实际作用仍难以理解，其部分原因是进行活体样本的对照实验具有挑战性。在该文中，Y. Xia利用了一个人造纤毛系统来解决这一难题。利用两条自推进机器人链作为两根纤毛，并将它们固定到同一个基底上来实现纤毛间的机械耦合。此系统可模拟生物纤毛的摆动，允许对纤毛摆动的动力学进行精细调控。用不同的机械耦合方式可以使人工纤毛实现丰富的运动模式。特别指出，纤毛的同步摆动展现出了两种不同的模式，这两种同步模式与在莱茵衣藻(C. reinhardtii)——一种用于研究同步的双鞭毛模型生物——中所观察到的类似。进一步的研究表明该系统会向耗散最大的模式演化。在实验以及计算模拟中利用这一准则，能够通过调整各运动模式的耗散来将系统诱导至一个所期望的状态。他们的研究结果对理解纤毛的同步具有重要意义。

（张一鸣）

Biomimetic Synchronization in Biciliated Robots

Y. Xia, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 048302 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.048302

END