序
言
本著服務於中國物理學者和物理專業研究生的宗旨，我們根據PRL摘要和引言對本期部分文章進行中文導讀。由於水平有限，不免出現一些不準確的地方乃至錯譯的地方。公眾號下方有留言功能，歡迎專家學者通過留言指出不準確或錯譯的地方，共同提高公眾號的服務質量。留言經編輯確認後，會顯示在文章下方，供後來瀏覽者參考。
普通物理：統計與量子物理
負Keldysh準概率的非經典行為證明
Potts引入了一個實驗測試，來排除在使用單個檢測器在任意時間測量任意可觀測量時獲得的統計數據的經典解釋。該測試需要對測量值有一定的信任度，表現為對探測器的一些自然的假設。在量子理論中，馮·諾依曼測量很好地描述了作者考慮的情形。它們可以自然地用Keldysh準概率分佈（KQPD）和測量儀器施加的不精確性和反作用來描述。作者發現，當且僅當KQPD顯示負值時，才能從測量數據中排除經典描述。作者提供了基於模擬數據的例子，考慮了有限數量統計的影響。除了提供用於保證非經典性的實驗工具之外，他的結果還提供了負的準概率分佈（比如Wigner函數和全計數統計）的非經典性質的操作含義。（崔石峰）
Certifying Nonclassical Behavior for Negative Keldysh Quasiprobabilities
Patrick P. Potts
Phys. Rev. Lett. 122, 110401 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.110401
自旋軌道角動量耦合玻色-
愛因斯坦凝聚體的基態相圖
利用一對高斯和拉蓋爾-高斯光束誘導的拉曼躍遷，實現了軌道角動量（OAM）與其內部自旋態耦合的銣87凝聚。通過改變拉曼躍遷的失諧量和耦合強度，Dongfang Zhang等人首次通過實驗繪製了系統的基態相圖。不同相之間的相變以OAM和自旋極化的不連續躍遷為特徵，因此是一級相變。作者展示了這種一級相變的磁滯回線，並且闡明瞭原子間相互作用的角色。這一工作為探索自旋軌道角動量耦合量子氣體中的奇異量子相鋪平了道路。（崔石峰）
Ground-State Phase Diagram of a Spin-Orbital-Angular-Momentum Coupled Bose-Einstein Condensate
Dongfang Zhang, et al
Phys. Rev. Lett. 122, 110402 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.110402
避免不可逆性：
量子資源的共振轉換操控
We identify and explore the intriguing property of resource resonance arising within resource theories of entanglement, coherence, and thermodynamics. While the theories considered are reversible asymptotically, the same is generally not true in realistic scenarios where the available resources are bounded. The finite-size effects responsible for this irreversibility could potentially prohibit small quantum information processors or thermal machines from achieving their full potential. Nevertheless, we show here that by carefully engineering the resource interconversion process any such losses can be greatly suppressed. Our results are predicted by higher order expansions of the trade-off between the rate of resource interconversion and the achieved fidelity, and are verified by exact numerical optimizations of the appropriate underlying approximate majorization conditions.
Avoiding Irreversibility: Engineering Resonant Conversions of Quantum Resources
Kamil Korzekwa et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 011403 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.110403
準晶光學晶格的物質波衍射
[編輯推薦]實驗者在二維準晶晶格上實現了玻色 - 愛因斯坦凝聚，為這些分形結構中的各種量子多體現象的模擬開闢了道路。
準晶體是長程有序，但非週期性的。 這導致了大量有趣的物理現象，例如從更高維度繼承拓撲性質，以及在所有尺度上存在非平庸結構。 在這裡，作者報告了八重旋轉對稱光學晶格的第一個實驗演示，實現了超冷原子的二維準晶勢。 使用物質-波衍射，作者觀察到這種準晶體結構的自相似性，這與使用電子衍射首次發現準晶體類似。 短時間尺度上的衍射動力學構成了在均勻的四維緊束縛晶格上的連續時間量子行走。 這些測量為分形結構和更高維度的量子模擬鋪平了道路。（朱文靜）
Matter-Wave Diffraction from a Quasicrystalline Optical Lattice
Knorad Viebahn, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 110404 (2019)
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.122.110404
驅動的二階非線性光子晶格的量子臨界區
We study an array of coupled optical cavities in the presence of two-photon driving and dissipation. The system displays a critical behavior similar to that of a quantum Ising model at finite temperature. Using the corner-space renormalization method, we compute the steady-state properties of finite lattices of varying size, both in one and two dimensions. From a finite-size scaling of the average of the photon number parity, we highlight the emergence of a critical point in regimes of small dissipations, belonging to the quantum Ising universality class. For increasing photon loss rates, a departure from this universal behavior signals the onset of a quantum critical regime, where classical fluctuations induced by losses compete with long-range quantum correlations.
Quantum Critical Regime in a Quadratically Driven Nonlinear Photonic Lattice
Riccardo Rota et al
Phys. Rev. Lett. 122, 011405 (2019).
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.110405
暗箱系統的脈衝量子態重建
作者提出了重建暗箱系統(即測量或調控無法直接操作的自由度) 量子態的新方案。他們的方案依賴於對一個二能級探針的量子控制，該探針對暗箱系統施加一個態依賴的勢。利用施加在探針上的一系列控制脈衝，可以對獲得的信息進行調整，比如可以重建暗箱自旋的密度算符以及諧振子的維格納特性函數。由於應用脈衝序列的對稱性，該方案對探頭上的慢噪聲具有魯棒性。原理性實驗在固態自旋和囚禁離子中是可行的。（侯迪莎）
Pulsed Quantum-State Reconstruction of Dark Systems
Yu Liu et al
Phys. Rev. Lett. 122, 110406 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.110406
超導量子處理器的真正12量子比特糾纏
[編輯推薦]利用精心校準的單量子位和2量子位量子門序列，糾纏出12個超導量子位，形成線性團簇態。
Ming Gong等人報告了在超導處理器中製備和驗證真正的12-量子比特糾纏。他們設計和製造的處理器由1維鏈上的量子比特構成，其弛豫時間的範圍是29.6到54.6微秒。測得的12-量子比特糾纏的保真度高於0.5544±0.0025，其超過了真正的多方糾纏閾值21個標準統計偏差。在熱循環之後，12-量子比特狀態的保真度進一步提高到0.707±0.008以上。生成的線性團簇態的糾纏電路在量子比特數量方面是深度不變的，使用了單量子位和雙量子位門而不是集體相互作用。他們的結果是邁向大規模隨機電路抽樣和基於可擴展測量的量子計算的重要一步。（劉玉海）
Genuine 12-Qubit Entanglement on a Superconducting Quantum Processor
Ming Gong et al
Phys. Rev. Lett. 122, 011501 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.110501
微型熱機運行中量子效應的實驗驗證
[編輯推薦]實驗表明量子相干導致量子熱機比對應的經典熱機效率提高。
量子熱機的基本特性之一是工作流體的內部狀態能夠相干疊加。最近有人預測，在小型發動機區域，這種能力可以使量子熱機比任何等效的經典熱機有更大的功率。在相同的區域下，這種內部相干性的存在使不同類型的量子熱機變得熱力學等效。這篇文章中，作者使用金剛石中的氮空位中心繫綜來實現兩種類型的量子熱機，從實驗中觀察到了這兩個效應。（孫生紅）
Experimental Demonstration of Quantum Effects in the Operation of Microscopic Heat Engines
James Klatzow et. al
Phys. Rev. Lett. 122, 110601 – Published 20 March 2019
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.122.110601
開放Floquet系統
相變中臨界性的消失
We address the nature of phase transitions in periodically driven systems coupled to a bath. The latter enables asynchronized nonequilibrium Floquet steady state at finite entropy, which weanalyze for rapid drives within a nonequilibrium renormalization group (RG) approach. While the infinitely rapidly driven limit exhibits a second-orderphase transition, here we reveal that fluctuations turn the transition firstorder when the driving frequency is finite. This can be traced back to a universal mechanism, which crucially hinges on the competition of degenerate, near critical modes associated with higher Floquet Brillouin zones. Thecritical exponents of the infinitely rapidly driven system—including a new, independent one—can yet be probed experimentally upon smoothly tuning towards that limit.
Absence of Criticality in the Phase Transitions of Open Floquet Systems
Steven Mathey and S. Diehl
Phys. Rev. Lett. 122, 011602 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.110602
引力與天體物理
天體物理引力波背景中的各向異性：
黑洞分佈的影響
作者使用數目推斷的方法來探索雙黑洞（BBH）分佈的不確定性對天體物理引力波背景（AGWB）的影響。他們的研究結果表明AGWB單極子對BBH分佈的情況敏感（特別是局域的合併率），而各向異性Cl譜僅被修改幾個百分點，與其它不確定性源（如宇宙變化）相比是無關緊要的。對於AGWB未來的觀察研究，該信息具有潛在價值，因為它表明：(i)單極子可以作為在整個宇宙歷史中緊密物體分佈的新探測器，與LIGO和Virgo的直接觀測相輔相成，並且(ii)即使我們只是對黑洞的分佈有比較近似的瞭解，但是依然能夠對C
l譜進行驚人的強大預測。因此，AGWB各向異性作為宇宙大尺度結構和一般晚期宇宙學的新探測器具有巨大的潛力。Anisotropies in the Astrophysical Gravitational-Wave Background: The Impact of Black Hole Distributions
Alexander C. Jenkins, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 111101 (2019)
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.122.111101
基本粒子與場論
QCD禁閉的早期宇宙學
如果將強耦合推廣到一個與動力學場相關的量。那麼在早期宇宙中強相互作用可能看起來十分不同。本文考慮了一種情形，其中QCD在大動力學尺度的高溫下禁閉，在爆炸核合成之前鬆弛回1GeV。作者討論了該理論的在宇宙學上的含義，並探索了其潛在的應用，包括髮掘一種新的重子生成機制，如果QCD禁閉發生在電弱相變之前，該機制就會被激發。
Early Cosmological Period of QCD Confinement
Seyda Ipek and Tim M. P. Tait
Phys. Rev. Lett. 122, 112001 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.112001
因果律和更高圈的圈-樹對偶
本文將L-圈費曼積分與相空間積分求和關聯起來，其中被積函數由原L-圈圖的生成樹決定。因果律要求樹的傳播子有一個修改過的iδ項，作者給出了一個正確iδ項的簡單公式。
Causality and Loop-Tree Duality at Higher Loops
Robert Runkel, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 111603 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.111603
來自共形場理論的全息淨化糾纏
本文探索了全息淨化糾纏的共形場理論解釋，其定義為糾纏楔截面的最小面積。作者認為在ADS3/CFT2中，全息淨化糾纏與通過特殊的Weyl變換（被稱為路徑積分優化）所獲得的純化態的糾纏熵一致。根據定義，這種特殊的純化態有最小的路徑積分複雜性。作者在幾個例子中確認了這一觀點。
Holographic Entanglement of Purification from Conformal Field Theories
Pawel Caputa, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 111601 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.111601
在廣義超引力背景下
弦理論的Weyl不變性
本文在廣義的超引力背景下重新研究了弦理論的Weyl不變性。Sakamoto等人在其工作中創建了一個可能存在的抵消項，但是在一些文獻中這似乎是一個爭論點，不管它是否是定域的。為了解決這個問題，作者表明抵消項可以是定域的並且在廣義的超引力背景下完全消除一圈跡反常。
Weyl Invariance of String Theories in Generalized Supergravity Backgrounds
J. Fernández-Melgarejo, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 111602 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.111602
6D(2,0)超引力的所有樹圖振幅：
相互作用的張量多重態與K3模空間
本文展示了耦合到21個阿貝爾張量多重態的六維(6D)(2,0)超引力的完整的樹圖S矩陣的一個twistorlike公式。這是一個對應於緊緻化到K3表面的Type IIB超玄理論的低能有效理論。該公式表示為punctured黎曼球某些有理映射的模空間上的積分。通過研究該公式的軟極限，作者能夠探索該理論的定域的模空間，{[SO(5,21)]/[SO(5)×SO(21)]}。最後，通過維數減除，作者得到了4D N=4愛因斯坦-麥克斯韋理論中樹圖S矩陣元的新公式。
All Tree Amplitudes of 6D (2,0) Supergravity: Interacting Tensor Multiplets and the K3 Moduli Space
Matthew Heydeman, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 111604 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.111604
原子、分子與光學
介觀系統中原子蒸氣的光學傳輸
通過測量近共振光穿過納米腔中原子蒸氣的光學傳輸，本文展示了由原子運動引起的非局域性產生的介觀光學響應，其相位相干長度大於腔的厚度。儘管傳統的色散理論（其中局部原子響應與麥克斯韋-玻爾茲曼速度分佈簡單地進行卷積）無法再現測量的光譜，作者發現一個包含非局域的與尺寸相關的磁化率的模型與實驗測量結果一致性很好。該結果加深了人們對介觀系統中光與物質相互作用的理解，對介觀效應可能減弱或增強小型化原子傳感器性能的應用具有指導意義。
Optical Transmission of an Atomic Vapor in the Mesoscopic Regime
T. Peyrot, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 113401 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.113401
具有位移跳頻的Ramsey光譜研究
最近有人提出可將使用複合激光脈衝系列複雜的基於Ramsey詢問協議應用於下一代原子鐘，該方案可以接近完美地消除原子探測中場相互作用導致的頻率漂移。本文提出一個自均衡Ramsay詢問協議的簡單替代方案，展示了它在相干布居束縛（CPT）冷原子微波時鐘中的應用。本方法基於依次相連的兩個具有不同暗週期的Ramsey系列，主要原創性在於使用跳頻對中心Ramsay條紋採樣，跳頻通過一個額外的頻率位移伴隨參數進行精細調節，與暗週期成反比。這個位移跳頻Ramsay方法的好處是局域振子（LO）頻率成為調控系列中伺服迴路的單個物理參數，簡化了實現，避免了控制LO相位帶來的噪聲。使用CPT冷原子時鐘測試時，同標準的Ramsey詢問協議相比，本方案把時鐘頻率對光漂移的敏感度降低了至少一個數量級。這個簡單的方法可用於各種各樣的基於Ramsey光譜的應用，包括基於CPT的頻率計量、光學原子鐘、質譜和精細光譜。
Ramsey Spectroscopy with Displaced Frequency Jumps
M. Shuker, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 113601 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.113601
同時具有高保真度、高效率
和不可分辨性的糾纏光子的按需半導體源
[編輯推薦]一個基於量子點的器件結合了為量子信息應用而產生可靠糾纏光子源所需的所有屬性。
量子光學和可擴展光子量子技術的一個突出目標就是開發一種每次發射一個且僅有一個糾纏光子對的光源，該光子對還應同時具有高糾纏保真度、提取效率和光子不可分辨性。把單個InGaAs量子點耦合到寬帶Purcell因子高達11.3 的圓形布拉格光柵靶心腔，通過對量子點進行相干雙光子激發，作者生成了糾纏光子對，光子對同時具有狀態保真度0.90（1）、生成率0.59（1）、提取效率0.62（6）、光子不可分辨率0.90（1）。本工作將為高效的多光子實驗和固態量子中繼器開闢許多新的應用領域。
On-Demand Semiconductor Source of Entangled Photons Which Simultaneously Has High Fidelity, Efficiency, and Indistinguishability
Hui Wang, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 113602 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.113602
量子磁學的腔-量子-電動力學工具箱
The recent experimental observation of spinor self-ordering of ultracold atoms in optical resonators has set the stage for the exploration of emergent magnetic orders in quantum-gas-cavity systems. Based on this platform, we introduce a generic scheme for the implementation of long-range quantum spin Hamiltonians composed of various types of couplings, including Heisenberg and Dzyaloshinskii-Moriya interactions. Our model is composed of an effective two-component Bose-Einstein condensate, driven by two classical pump lasers and coupled to a single dynamic mode of a linear cavity in a doubleΛscheme. Cavity photons mediate the long-range spin-spin interactions with spatially modulated coupling coefficients, where the latter ones can be tuned by modifying spatial profiles of the pump lasers. As experimentally relevant examples, we demonstrate that by properly choosing the spatial profiles of the pump lasers achiral domain-wall antiferromagnetic and chiral spin-spiral orders emerge beyond critical laser strengths. The transition between these two phases can be observed in a single experimental setup by tuning the reflectivity of a mirror. We also discuss extensions of our scheme for the implementation of other classes of spin Hamiltonians.
Cavity-Quantum-Electrodynamical Toolbox for Quantum Magnetism
Farokh Mivehvar, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 113603 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.113603
非線性動力學與流體力學
二元微滴蒸發中的引力效應
在實驗和數值上對鍵數為Bo≪1的甘油-水二元亞毫米液滴的蒸發流動進行了研究。首先，研究者們用微粒圖像測速法測量了蒸發過程中無柄液滴和懸垂液滴在基體附近的流場，令人驚訝的是這兩種液滴的徑向流動方向相反，分別是向內和向外的。這一觀察清楚地表明，儘管液滴尺寸很小，但重力效應在控制蒸發液滴的流場上起著至關重要的作用。理論上分析顯示，這種重力驅動效應是由甘油的低揮發性引起的，這導致了水的優先蒸發，然後兩種組分的局部濃度差導致了密度梯度，從而驅動對流流動。他們證明了阿基米德數Ar是引力效應發生的無量綱控制參數。通過實驗比較兩種蒸發微滴系統，即甘油-水滴和1,2-丙二醇-水滴證實了他們的假設。他們通過改變一系列液滴高度，得到了不同的Ar，大於或小於一個單位，分別對應於有或無重力效應的情況。最後，通過對這一過程進行數值模擬，發現其與實驗結果吻合良好，再次證實了他們的解釋。
（柴咪莎）
Gravitational Effect in Evaporating Binary Microdroplets
Yaxing Li, et al
Phys. Rev. Lett. 122, 114501 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.114501
用於波陣面幅度和相位控制的
複合變光材料
Metasurfaces allow tailored control of electromagnetic wave fronts. However, due to local conservation of power flow, passive, lossless, and reflectionless metasurfaces have been limited to imparting phase discontinuities-and not power density discontinuities-onto a wave front. Here, we show how the phase and amplitude profiles of a wave front can be independently controlled using two closely spaced phase discontinuous metasurfaces. The two metasurfaces, each designed to exhibit spatially varying refractive properties, are separated by a wavelength-scale distance and together form a compound metaoptic. A method of designing the compound metaoptic is presented, which enables transformation between arbitrary complex valued field distributions without reflection, absorption, polarization loss, or active components. Such compound metaoptics may find applications in the optical trapping of particles, displaying three-dimensional holographic images, shrinking the size of optical systems, or producing custom (shaped and steered) far-field radiation patterns. (柴咪莎)
Compound Metaoptics for Amplitude and Phase Control of Wave Fronts
Brian O. Raeker, Anthony Grbic
Phys. Rev. Lett. 122, 113901 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.113901
在彎曲彈性杆和帶中
對扭轉誘導繃彈的研究
細長結構的繃彈被廣泛應用於各種自然和人造系統中，主要是為了在不依賴肌肉狀元素的情況下實現快速移動。雖然對彈性能儲存和快速釋放的幾種機理進行了詳細的研究，但對這種力學系統設計方法的理解仍是力學中的一個關鍵挑戰。本文結合實驗、數值模擬和理論分析，研究了幾何約束帶的扭轉驅動屈曲和快速翻轉動力學。研究者們確定了兩種不同類型的形狀轉變：窄的帶繃彈，寬的帶形成一對局部的螺旋。他們建立了一個相圖，解釋了邊界的起源，這主要是由幾何決定的。通過對重力的影響進行量化，闡明瞭刻畫快速翻轉的時間尺度。他們的研究揭示了幾何扭曲-彎曲耦合在薄約束結構快速動力學中的獨特作用，這對生物和應用物理中的一大類問題具有啟示意義。
（柴咪莎）
Twist-Induced Snapping in a Bent Elastic Rod and Ribbon
Tomohiko G. Sano, Hirofumi Wada
Phys. Rev. Lett. 122, 114301 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.114301
粒子負載流中的湍流轉變
Suspended particles can alter the properties of fluids and in particular also affect the transition from laminar to turbulent flow. An earlier study [Matas et al., Phys. Rev. Lett. 90, 014501 (2003)] reported how the subcritical (i.e.,hysteretic) transition to turbulent puffs is affected by the addition of particles. Here we show that in addition to this known transition, within creasing concentration a supercritical (i.e., continuous) transition to a globally fluctuating state is found. At the same time the Newtonian-type transition to puffs is delayed to larger Reynolds numbers. At even higher concentration only the globally fluctuating state is found. The dynamics of particle laden flows are hence determined by two competing instabilities that give rise to three flow regimes: Newtonian-type turbulence at low, a particle induced globally fluctuating state at high, and a coexistence state at intermediate concentrations.
(柴咪莎)
Transition to Turbulence in Particle Laden Flows
Nishchal Agrawal, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 114502 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.114502
等離子體與束物理
DIII-D託卡馬克在負三角形變放電中
獲得與未來反應堆相關的高性能等離子體
Austin等人在DIII-D託卡馬克中實現了具有負三角形變(δ=−0.4)的等離子體放電，雖然該放電中沒有出現邊緣壓強臺基和邊界局域模（ELMs），但它仍然具有高歸一化β(β
N=2.7)和高約束模（H98y2=1.2）約束特徵。這些內壁限制等離子體具有與正三角形變（δ=0.4）ELM高約束模放電相似的整體性能：相同的等離子體電流、拉長比和橫截面積。對於Te/Ti>1的電子迴旋主導加熱和Te/Ti=1的中性束注入主導加熱的情況，具有負三角形變的等離子體放電相比於正三角形變時，在徑向位置為0.5Achievement of Reactor-Relevant Performance in Negative Triangularity Shape in the DIII-D Tokamak
M. E. Austin, et al
Phys. Rev. Lett. 122, 115001 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.115001
利用束流驅動的等離子體尾流場
實現縱向相空間調控
[編輯推薦]本文提出一種新裝置，可以消除等離子體尾場上的時間-能量關聯或能量啁啾，從而減少束流的總能量發散。
下一代低成本緊湊型的粒子加速器可以為工業、醫療、科研等眾多領域提供應用。發展能夠提供高亮度束流的緊湊型加速器設施是這一研究領域中最具挑戰性的任務之一。束流的縱向相空間賦形對實現束流高峰值亮度起著尤為關鍵作用。V. Shpakov等人提出一種新的方法，可以通過等離子體尾場來調節高亮度束流的縱向相空間分佈。該研究採用電子束穿過等離子體時驅動的大振幅尾場來控制粒子沿著束流的時間-能量關聯。實驗結果表明，該方法僅通過改變等離子體密度就可以對束流的相空間進行高度調節，還可以對束流進行標記或者去除任何關聯。這是未來等離子體加速器中處理帶有大量時間-能量關聯的束流的基本要求。（楊生鵬）
Longitudinal Phase-Space Manipulation with Beam-Driven Plasma Wakefields
V. Shpakov, et al
Phys. Rev. Lett. 122, 114801 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.114801
凝聚態物理：結構
水化層中的原子級粘度分佈
溶劑化物結構的粘度對於開發高效節能的生物功能性器件以及電化學器件是至關重要的。對它們的亞納米級分佈的闡明將促成可持續能源社會的形成。文中作者利用超低噪聲調頻原子力顯微鏡可視化了由二元離子組成的CaCO
3表面特定位置的三維阻尼分佈。在分子動力學模擬的支持下，作者在鈣離子的位置發現了非常大的阻尼，這說明了該方法在原子尺度上可視化水化層粘度的能力。作者的發現會加速多種功能器件的發展。(曹錦)Atomic-Level Viscosity Distribution in the Hydration Layer
Kenichi Umeda, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 116001 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.116001
Pb0.7Sn0.3Se在拓撲平凡和非平凡相中
的表面聲子色散的對比
本文報告了拓撲結晶絕緣體Pb0.7Sn0.3Se的(001)表面聲子色散的非彈性He原子散射測量。這種材料表現出與溫度有關的拓撲轉變，因此作者測量了平凡和非平凡相的表面色散曲線。作者特別的分辨出大多數表面模式是共振，而不是純表面態。作者發現在9.0 meV附近的剪切垂直表面共振支從拓撲平凡相到拓撲非平凡相發生了顯著的變化。作者將這種顯著的變化與表面狄拉克費米子的出現聯繫起來。作者用測量到的共振支的色散來確定相應的模相關電聲子耦合λ
v(q)。（麻曉波）Contrasting the Surface Phonon Dispersion of Pb0.7Sn0.3Se in Its Topologically Trivial and Nontrivial Phases
S. Kalish, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 116101 (2019)
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.122.116101
凝聚態物理：電子性質
共價鈣鈦礦氧化物中電控可切換
及可調的Rashba型自旋分裂
在過渡金屬鈣鈦礦（ABO3）中，大多數物理性質可通過結構參數調節，例如BO6八面體的旋轉。例子包括正鐵氧體的Néel溫度，混合價錳氧化物的電導率，和稀土鈧酸鹽的帶隙。由於氧化物通常擁有大的內部電偶極子並且可以容納重元素，因此它們也成為展現Rashba自旋軌道耦合的主要候選者，由此可以有效地相互轉換電荷和自旋電流。然而，儘管在基於SrTiO
3的界面系統中有一些實驗報導，但Rashba相互作用在這些材料中的研究很少，其與結構畸變的相互作用仍然未知。這裡，Varignon等人確定了一種基於鉍的鈣鈦礦，其具有大的電控可切換Rashba相互作用，其振幅可以通過鐵電極化和氧八面體的呼吸模式來控制。這種特殊的結構參數源於Bi-O鍵的強共價性質，使人聯想到鈣鈦礦型鎳酸鹽。他們的結果不僅為製造自旋電荷轉換器的提供了新策略，而且還強調了共價性質在設計研究複雜氧化物的新型特性中起到的重要作用。（方子明）Electrically Switchable and Tunable Rashba-Type Spin Splitting in Covalent Perovskite Oxides
Julien Varignon et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 116401 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.116401
Weyl半金屬TaP中拓撲費米弧的軌道紋理
單磷族元素化物TaAs和TaP是已經被研究得比較透徹的Weyl半金屬。然而，在這些系統中精確排布費米弧,容納預測的體Weyl點手性電荷是很困難的，並且費米麵中不同表面特徵的拓撲特性也尚不完全清楚。在這裡，Min等人採用角分辨光電譜儀中的線性二向色和第一性原理計算的聯合分析，揭示了TaP（001）的整個費米麵的軌道紋理。他們在投影Weyl節點處觀察到軌道紋理中顯著的轉換，並展示它們如何有助於表面能帶結構的拓撲分類。他們的研究結果揭示了軌道自由度在調節Weyl半金屬表面-體連通性中的關鍵作用。（方子明）
Orbital Fingerprint of Topological Fermi Arcs in the Weyl Semimetal TaP
Chul-Hee Min et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 116402 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.116402
利用二維量子維格納晶體的屏蔽效率
來研究其熔化過程
[編輯推薦] 滲透電容測量屏蔽效率能夠反映出維格納晶體熔化的精確溫度與填充相圖。
量子維格納晶體相（WC 相）是相互作用的電子系統中最基本也是最難以捉摸的集體相之一，當體系中的庫侖排斥能超過其費米動能時，預期會在該類體系中形成有序的電子陣列。在低無序的二維電子系統中，量子WC相出現在低溫和小朗道填充因子下。由於體系中無序勢的釘扎作用，WC相表現出絕緣行為。而要在實驗上測量WC熔化過程中溫度與填充因子之間關係卻是比較困難的。本文中，作者藉助於電容測量方法來探究二維 WC中溫度和填充因子的關係。結果顯示，在低溫時，釘扎WC的屏蔽效率較低；在高溫熔化時，屏蔽效率增大。然而，有趣的是，屏蔽效率並不是隨著溫度的增加而單調地變化，而是在接近WC熔化溫度處出現了一個最大值。該結果為精確繪製磁場誘導的WC中溫度隨填充因子變化的相圖提供了新方法。（劉錢）
Probing the Melting of a Two-Dimensional Quantum Wigner Crystal via its Screening Efficiency
H. Deng et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 116601 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.116601
測量拓撲超導環中宇稱反常的提議
拓撲超導環的唯一特徵在於在插入一個超導通量量子時基態費米子數宇稱的轉換——這是拓撲“宇稱反常”的直接結果。儘管拓撲超導體有許多其它引人注目的特徵和應用，但這種基本的定義特性仍有待實驗觀察。在這裡，Liu等人建議從懸浮超導環兩端電導的通量週期性對充電能量，溫度和隧道勢壘的依賴性來對費米子宇稱轉換給出確實的探測。他們擴展了Ambegaokar-Eckern-Schön公式至具有庫侖充電能量的超導體，來建立這種環的熱力學和輸運特性與超導體拓撲不變量間新的顯式關係。非常重要的是，他們表明電導振盪中的拓撲貢獻可以通過它們對充電能量或屏障穿透度的不同依賴而從非拓撲起源的Aharonov-Bohm振盪中分離出來。（方子明）
Proposal for Measuring the Parity Anomaly in a Topological Superconductor Ring
Chun-Xiao Liu et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 117001 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.117001
鐵磁超導體中的磁疇相理論
近期研究發現，磷摻雜的EuFe2As2化合物的超導臨界溫度可以遠高於鐵磁相變的溫度，磁性和超導間的主要作用機制是電磁相互作用。此前的實驗工作表明，在稍低於居里溫度的時候，這個體系的磁疇在空間上會出現短週期的結構。在本文中，Devizorova等人建立了一套理論來描述這種轉變並討論了初始狀態的正弦型磁性結構是如何逐漸演變成類孤子的疇結構。進一步降低溫度，具有短週期磁疇的邁斯納相可以通過一級相變轉變為鐵磁渦旋態。作者計算了這個相變對應的參數。渦旋態中疇的大小基本與正常鐵磁體的磁疇大小相同，但其疇壁能夠產生與磁疇中渦旋相垂直的渦旋結構。（李松）
Theory of Magnetic Domain Phases in Ferromagnetic Superconductors
Zh. Devizorova et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 117002 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.117002
量子自旋冰中的巡遊分數激發譜
[編輯推薦] 計算揭示了量子自旋冰中傳播的磁單極子的中子散射特徵。
本文中，作者藉助於中子散射實驗，研究了量子自旋冰中分數激發態的量子動力學。通過分析中子散射實驗中的動力學結構因子，作者發現雙磁單極子扇區的態密度ρ(ω) 具有明顯的奇異性和非對稱性，從而提供了可用於與實驗比較的指紋性特徵。通過有限團簇的精確對角化得到的ρ(ω)與Husimi仙人掌型表示構型空間跳躍問題的解析解一致，但是和單極子在實空間運動的面心立方晶格的結果不一致。作者指出這主要是受自發規範場自由度下，磁單極子的帶電性影響。這強調了同時處理這兩組自由度的重要性，並提出了一個維度演變的新奇實例。（劉錢）
Spectrum of Itinerant Fractional Excitations in Quantum Spin Ice
M. Udagawa and R. Moessner
Phys. Rev. Lett. 122, 117201 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.117201
具有混合對稱性的
超短波長自旋波的相干激發
由於能夠滿足低能耗和器件小型化的需求，短波長自旋波被認為是未來自旋電子學信息處理和交互設備的潛在信息載體。然而，如何有效地激發出納米尺度自旋波並對其傳播進行操控仍然是目前面臨的巨大挑戰。本文中，Dieterle等人報道了他們在單層鐵磁系統中觀測到的由自旋渦旋核動力學演化所激發出來的大幅度、超短波長的偶極-交換自旋波（在10GHz頻段的波長可以小至80nm）。作者使用時間分辨的X光顯微鏡在整個頻率範圍內對這種自旋波進行直接成像。通過進一步分析，作者發現這些波的實空間波函數可以同時混合對稱和反對稱成分，因而磁矩在空間某些區域的運動可以表現出與拉莫爾進動方向相反的進動行為或者沿某個方向線性振盪。這種包含了螺旋方向變化的動力渦旋的磁矩空間分佈模式，導致部分磁通在薄膜內部發生閉合。這種現象可以通過不同自旋波模式的雜化來解釋，是較厚的鐵磁薄膜固有的動力學特徵，與激發方法無關。（李松）
Coherent Excitation of Heterosymmetric Spin Waves with Ultrashort Wavelengths
G. Dieterle et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 117202 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.117202
外延CoFe薄膜中
吉爾伯特阻尼的高度各向異性
對金屬鐵磁薄膜的吉爾伯特阻尼的調控是自旋電子學領域的重要研究方向。本文中，Li等人用自旋轉矩鐵磁共振和感應鐵磁共振實驗發現，外延Co50Fe50薄膜的吉爾伯特阻尼具有高度各向異性，其最大阻尼和最小阻尼的比值達到400%。作者提出這種阻尼各向異性起源於不同磁矩取向下立方晶格自旋軌道耦合強度的變化，這與各向異性磁電阻的測量相吻合。（李松）
Giant Anisotropy of Gilbert Damping in Epitaxial CoFe Films
Yi Li, Fanlong et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 117203（2019）
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.117203
SrCo2As2中鐵磁和條紋反鐵磁
自旋漲落的共存
自從2008年鐵基超導發現以來，早期的理論計算就提出可能的鐵磁關聯對超導的影響。雖然有大量的理論與實驗工作對鐵基超導體中的反鐵磁漲落進行了系統的研究，但是對鐵磁漲落的討論由於實驗證據的缺乏，一直沒有受到足夠的重視。在本篇文章中，作者使用中子散射技術系統地研究了SrFe2-xCoxAs2超導體的重電子摻雜化合物SrCo2As2的中的磁激發，發現了在該系統中同時存在鐵磁和反鐵磁漲落，它們對應的波矢位置分別為QAF= (1,0) 和 QFM=(0,0)/(2,0)。結合動力學平均場理論計算和角分辨光電子能譜測量，作者認為SrCo2As2中的鐵磁和反鐵磁漲落與eg軌道在費米能級附近形成的平帶有密切的關係，這與SrFe
2-xCoxAs2超導體中磁漲落起源於t2g軌道有明顯不同。因此，Co摻雜導了SrFe2-xCoxAs2中與磁性有關的軌道發生了從t2g到 eg的轉變，並且鐵磁漲落常常被認為會破壞單態超導配對。這為解釋鐵基超導相圖中明顯的電子空穴不對稱提供了另一種可能。（方子明）Coexistence of Ferromagnetic and Stripe Antiferromagnetic Spin Fluctuations in SrCo2As2
Yu Li et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 117204 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.117204
磁疇壁進動產生的巴克豪森噪聲
外加磁場可驅動無序鐵磁體中的疇壁產生非均勻的動力學行為，被稱為巴克豪森效應（Barkhausen effect），這是一種爆裂噪音的典型範例。對納米尺度的磁疇壁而言，外磁場對疇壁的影響可以用一維模型很好的描述，但是對於較寬的疇壁，已不能用一維模型描述，這時候需要考慮磁疇壁中拓撲缺陷的成核、傳播和湮滅等。本文中，作者利用全微磁模擬的方法，研究了無序Pt/Co/Pt薄膜中，磁疇壁進動過程中的巴克豪森噪聲。結果發現，此時的疇壁包含布洛赫線型的拓撲缺陷，在巴克豪森躍遷過程中重複地在疇壁內成核、傳播和湮滅。同時，作者還發現，除了疇壁的傳播外，疇壁內的平面布洛赫線動力學還表現出爆裂噪聲，並貢獻了整體自旋轉動的主要部分。（劉錢）
Barkhausen Noise from Precessional Domain Wall Motion
T. Herranen and L. Laurson
Phys. Rev. Lett. 122, 117205 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.117205
在可見光譜中探測
拓撲硅光子晶體的能帶結構
We study two-dimensional hexagonal photonic lattices of silicon Mie resonators with a topological optical band structure in the visible spectral range. We use 30 keV electrons focused to nanoscale spots to map the local optical density of states in topological photonic lattices with deeply subwavelength resolution. By slightly shrinking or expanding the unit cell, we form hexagonal superstructures and observe the opening of a band gap and a splitting of the double-degenerate Dirac cones, which correspond to topologically trivial and nontrivial phases. Optical transmission spectroscopy shows evidence of topological edge states at the domain walls between topological and trivial lattices.
Probing the Band Structure of Topological Silicon Photonic Lattices in the Visible Spectrum
S. Peng et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 117401 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.117401
受限在耦合的砷化鎵量子阱中的二維偶
極激子在準凝聚交叉處的缺陷擴散
We study ultracold dipolar excitons confined in a 10 μm trap of a double GaAs quantum well. Based on the local density approximation, we unveil for the first timethe equation of state of excitons. Specifically, in this regime and below acritical temperature of about 1 K, we show that for a local densityn ∼(2-3)x1010cm-2a coherent quasicondensate phase forms in the inner region of the trap, encircled by a more dilute and normal component in the outer rim. Remarkably, this spatial arrangement correlates directly with the concentration of defects in the exciton density, which is strongly decreased in the quasicondensed region, consistent with a superfluid phase. Thus, our observations point towards a Berezinskii-Kosterlitz Thouless crossover for two-dimensional excitons.
Defect Proliferation at the Quasicondensate Crossover of Two-Dimensional Dipolar
Excitons Trapped in Coupled GaAs Quantum Wells
S. Dang et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 117402 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.117402
利用氫插層實現磁電耦合
鐵磁序和鐵電序共存的多鐵材料提供了一條電場操控磁性的有效途徑。但是，至今沒有找到鐵電序和鐵磁序強耦合的室溫多鐵材料。本文中，Ni等人提出在反鐵磁過渡金屬氧化物中加入氫插層是一種實現強磁電耦合的可靠方式。作者以鈣鐵石SrCoO2.5為例發現，氫插層後的SrCoO2.5展現出強烈的亞鐵磁性和巨大的電極化。此時氫氧化物如同一個旋鈕在室溫下同時操控磁性和極化。這種離子插層的方式可能會成為設計磁電材料和自旋電子學功能材料的通用方式。（李松）
Realizing Magnetoelectric Coupling with Hydrogen Intercalation
J. Y. Niet al.
Phys. Rev. Lett. 122, 117601 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.117601
軟物質與交叉科學
熱漲落和相互作用可以產生拓撲保護態
拓撲的量子和經典材料都可以表現出對抗無序的魯棒性，例如，非相互作用的粒子和線性波都具有這種特性。Pedro等人演示瞭如何構建拓撲保護態，這些態是由軟物質或微型力學結構固有的強相互作用和熱漲落的結合產生的。他們考慮了受一類空間調製基底電位影響的張力作用下的波動線(如聚合物或渦旋線)。在平衡態下，這些線趨向於整體傾斜，傾斜度與整數拓撲不變量即Chern數成比例。正如經典Langevin動力學模擬所證實的，這種量子化傾斜對於基底無序是魯棒的。這種魯棒性的產生是因為該系統中的熱波動線的激發由於線間相互作用而產生能隙。他們利用一個映射建立了這個模式的拓撲基礎，這個映射的元素分別對應相互作用線系統和迄今為止尚未探索的可推廣到虛時間的Thouless泵浦。他們的工作指向一類新的經典拓撲現象，其拓撲特徵表現為在有限溫度下而不是傳輸測量中觀察到的結構性質。（王赫）
Topological Protection Can Arise from Thermal Fluctuations and Interactions
Ricardo Pablo Pedro, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 118001 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.118001
細胞大小調節機制
誘導種群細胞增長率的持續振盪
Jafarpour等人研究了世代時間的相關係數對微生物種群增長動態的影響。結果表明，細胞大小的調節機制引出一種非零相關係數，它的值不論多小都會造成種群增長率的長期振盪。當他們在單個細胞的生長速率中考慮經常被忽略的變量時,細胞種群才會達到穩定的狀態。他們發現，群體到達其穩態的弛豫時間的尺度由單細胞生長速率的分佈決定，並且獨立於分裂過程中的具體因素（如分裂時間中的噪聲和細胞大小的調節機制）。他們依據所構建的模型做出預測，並利用現有的實驗數據對其進行了驗證。最後，他們提出一種實驗方法：通過觀察種群從單個細胞狀態達到穩定增長時所需的時間來估測單細胞生長速率的分佈。（何寒梅）
Cell Size Regulation Induces Sustained Oscillations in the Population Growth Rate
F. Jafarpour
Phys. Rev. Lett.122, 118101 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.118101
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