2019年物理评论快报(PRL)导读

来源: 京师物理

发布日期: 2019-01-28

2019年物理评论快报(PRL)导读,涵盖了多个领域的研究成果,包括普通物理、量子相空间、模拟光量子行走、黑箱量子态制备、基本粒子与场论、原子与光学、非线性动力学等,涉及的主题包括热波扩散、量子相变、超导电性、量子霍尔效应等,展示了物理学领域的最新进展与发现。

本着服务于中国物理学者和物理专业研究生的宗旨,我们根据PRL摘要和引言对本期所有文章进行中文导读。由于水平有限,不免出现一些不准确的地方乃至错译的地方。公众号下方有留言功能,欢迎专家学者通过留言指出不准确或错译的地方,共同提高公众号的服务质量。留言经编辑确认后,会显示在文章下方,供后来浏览者参考。

普通物理:统计与量子物理

作者提出并研究具有随机位置相关速度的共形场理论(CFT)模型,正如作者所论证的那样,它自然地成为具有一定静态随机杂质的一维量子多体系统中热传递的有效描述。作者提供了精确的分析结果,阐明了标准CFT中纯粹的弹道热波如何通过静态随机杂质获得正常和反常的扩散贡献。

作者的结果包括描述能量密度和热流的时间演变的杂质平均格林函数,以及包括通用的Drude峰的热导率的明确公式,它具有非平庸的实常规贡献,该贡献取决于杂质的细节。

量子相空间中动态剪切抑制

经典相空间流是无粘性的。在此,作者表明在量子相空间中Wigner概率流J可以有等效粘滞性。这导致量子相空间动力学中的剪切抑制,导致对动态变化的斑点结构的最小标度尺寸的Zurek限制。量子剪切抑制由J的涡旋量的量子项的梯度给出。作为应用于几个演化的闭合保守一维束缚态系统的量子动力学的新测量,作者发现剪切抑制解释了Zurek标度极限的饱和,并且挑出了特殊的量子态。

模拟光量子行走中的动力学量子相变

由物理可观测量的时间演化的非解析性标志,动力学量子相变(DQPT)出现在拓扑系统的淬火动力学中并拥有一个有趣的由动态拓扑序参量(DTOP)表征的几何起源。在这篇文章中,Kunkun Wang等人报告了使用单光子离散时间量子行走对DQPTs进行的实验研究。他们模拟了不同Floquet拓扑相之间的淬火动力学,使用量子行走动力学和通过实验表征DQPT并通过基于干涉的测量来确定的潜在的DTOP。

该多功能光量子行走平台进一步允许他们通过实验研究混合态和第一次实现奇偶时间对称的非酉动力学的DQPT。他们的实验直接证实了拓扑系统的淬火动力学中DQPT与DTOP之间的关系,并开辟了利用离散时间量子行走动力学模拟涌现拓扑现象道路。

无算术的黑箱量子态制备

用于量子态制备的新算法,使用门的数量比现有算法减少2个数量级。黑箱量子态制备是许多量子算法中的重要步骤。

标准方法要求量子计算机进行算术运算,这是算法复杂性的关键来源。在这里,Sanders等人提出了一种避免了算术的新算法。他们把门数减少到先前现实精度下最优工作的286-374分之一,改善因子随精确增加而增加。由于量子态制备是许多在量子计算机上模拟物理的算法中的关键步骤,他们的新方法使有用的量子模拟更加接近现实。

具有离散时间量子行走的任意Qudit态的实验工程

从量子通信到量子计算,在高维希尔伯特空间中生成和操纵量子态的能力是量子技术的发展至关重要的一步。一维量子步动力学是设计任意量子态任务的有效工具。在此,作者在线性光学平台中证实了这种可能,该平台实现了光子轨道角动量自由度的离散时间量子行走。制备并测量六维空间中不同类别的相关qudit态,证实了该协议的可行性。

作者的研究结果是对光子学平台中量子行走动力学的进一步研究,为这种量子态工程工具箱在大范围应用中铺平了道路。

从局部测量中学习局部哈密顿量

从测量中恢复未知的哈密顿量对于噪声量子设备和模拟器的认证来说是一项越来越重要的任务。最近的工作成功地恢复了孤立量子系统的哈密顿量,其具有来自单个本征态的长程关联的局部相互作用。

在这里,作者表明这样的哈密顿量可以单独从局部可观测量中恢复,使用计算和测量资源与系统大小线性地缩放。实际上,为了恢复在每个有限空间域上作用的哈密顿量,只需要该域内的可观测量。可观测量可以用吉布斯态和单个本征态来测量;此外,它们可以在哈密顿量长期演化的状态下进行测量,从而使作者能够恢复一系列依赖于时间的哈密顿量。

作者推导出由于使用有限数量的样本近似期望值而导致的统计恢复误差的估计,这与数值模拟结果很好地吻合。

最优量子控制的玻璃相

Day等人研究了通过优化bang-bang协议族的保真度来制备从初始状态到目标状态的量子多体系统的问题。他们给出了由协议持续时间控制的普适自旋玻璃相变的有力数值证据。玻璃式的临界点很难确定,它是是通过具有接近最佳的保真度和以指数方式出现真正最优化的协议的激增标记的。

使用基于t-分布随机邻域嵌入的多种学习算法的机器学习(ML)框架,他们能够以有效的低维表示来可视化高维控制图景的几何形状。穿过相变时,控制图景的特点是由广泛的障碍隔开的指数团簇,其与自旋玻璃中副本对称性破缺以及随机可满足性问题具有很强的相似性。他们进一步表明量子控制图景可以映射到一个没有无序,具有非局域阻挫以及多体相互作用的经典伊辛模型。

他们的工作突出了最佳量子控制和旋转玻璃物理之间复杂却意外的联系,并展示了如何使用可用于可视化和理解玻璃最优化图景的机器学习工具。

分支重启下的首次通过

分支重启下的首次通过是重启下首次通过的推广。研究这一推广的强烈动机来自人们知道分支重启可以加快完成那些简单重启则不能加快的流程;然而对此缺乏一个准确的定量表述。Pal等人发展了使用分支重启下首次通过的理论。这揭示了两种广泛应用的统计测量量—变分系数和基尼指数—汇总以确定使用分支重启对任意随机过程的完成时间的影响方式。他们证明了这一结果的普遍性并指出和探索了该理论与极值理论的联系。

可积无序统中不合时序的关联子和纠缠熵的缓慢增长

McGinley等人研究了三个作为范例的具有空间无序的一维模型中信息是如何传播的。他们考虑的模型都与自由费米子系统相关,因此显然是可积的。他们证明了尽管没有多体相互作用,不合时序的关联子仍然可以缓慢地扩散到单粒子局域化长度之外。这种现象被证明是由于元激发与物理自由度之间的非局域关系。他们认为这种非局域性对于时间相关的关联函数将变得关涉。

此外,通过追踪没有纠缠的初始态的淬火过程。他们观察到了纠缠熵随时间对数缓慢增长。他们将这种增长归因于强零模式的存在,这使得在系综平均时产生指数级的时间尺度。他们关于无序可积系统的工作,补充丰厚了信息传播现象学,他们讨论了在具有非局域关联的一般系统更广泛的应用。

基本粒子与场论

在13TeV的质子-质子对撞中搜索希格斯衰变到一对μ子,使用2016年LHC的CMS实验记录的数据,本文搜索了希格斯玻色子衰变为两个带相反电荷的μ子。发现数据与背景的预测一致。对于质量为125.09 GeV的希格斯玻色子,在95%置信水平下观察到产生截面乘以衰变到一对μ子的分支比的上限是标准模型预测值的3.0(2.5)倍。

与在质心能7和8 TeV处记录的数据综合,仅背景预期的上限提高到标准模型值的2.2倍,标准模型预期显着性为1.0标准偏差。相应的观察到的上限为2.9倍,观察到的显着性为0.9标准偏差。这对应于观察到的标准模型希格斯玻色子衰变到一对μ子的分支比的上限为6.4×10-4,观察到的信号强度为1.0±1.0(stat)±0.1(syst)。

在J-PARC的KOTO实验中搜索KL→π0νν¯和KL→π0X0,本文寻找了稀有衰变KL→π0νν¯。根据2015年收集的,对应于2.2×1019个靶上质子的数据,实现了单个事件灵敏度(1.30±0.01stat±0.14syst)×10-9并且没有观察到候选事件。本文在90%置信水平下将KL→π0νν¯的分支比的上限设定为3.0×10-9,这将先前的限制提高了几乎一个数量级。

KL→π0X0的上限在90%C.L.也被设定为2.4×10-9,其中X0是质量为135MeV/c2的不可见玻色子。

在横极化电子散射中揭露色力的真相,核子实验的自旋不对称性利用极化质子靶和两个束能量为4.7和5.9 GeV的极化电子束测量两个双自旋不对称性。一个大接受度并开放构型的探测器辨别出40°处的散射电子,并且在Bjorken x(0.3 <x <0.8)中覆盖了很宽的范围。

与平均色洛伦兹力成比例,twist-3矩阵元d2p从测量的不对称性中提取,其中Q2取值范围为2.0~6.0GeV2。与大多数夸克模型相比,数据显示相反的符号,包括格点QCD的结果和没有预料到的尺度依赖性。此外,当与相同Q2范围的中子数据结合时,结果表明与味无关的平均色洛伦兹力。

精准确定中性π介子的Dalitz衰变的分支比,本文为比值R=Γ(π0→e+e−γ(γ))/Γ(π0→γγ)=11.978(6)×10−3提供了一个新值,比当前粒子数据组平均值精确两个数量级。它是通过使用QED中的一整套次领头阶辐射校正得到的,并包含π0-转换形状因子斜率的最新值。

该比值转换为两种主要π0衰变模式的分支比:B(π0→γγ)=98.8131(6)%和B(π0→e+e−γ(γ))=1.1836(6)%。

在ππ→ee中无中微子双β衰变中轻中微子交换和长程的贡献,本文展示了无中微子双β衰变ππ→ee的探索性的格点QCD计算。在光中微子交换机制下,衰变振幅包含明显的长程贡献。

这里展示的计算,其中π质量mπ=420和140MeV,表明可以使用格点方法从第一原理计算衰变振幅。在非物理和物理π质量上,作者得到的振幅比领头阶手征微扰理论的预测小24%和9%。我们的结果为有效场论提供了格点QCD输入和约束。如果有足够的计算资源,后续计算可以有完全受控的系统误差。

原子、分子与光学

室温原子动量-空间手性边缘流的实验观察,原子集合中首次在室温下观察到了拓扑效应。

手性边缘流在表征拓扑物质方面起着重要作用。这些流已经在原子中可测量原子运动的低温下被观察到。本文中作者报告了在室温下原子中手性边缘流的首次实验观测结果。两个驻波光场之间的空间相位差引起了交错的磁通量,这让原子耦合形成了动量-空间之字形超辐射晶格。通过比较晶格中两个定时Dicke态的定向超辐射发射来测量该手性边缘流。本研究结果为模拟热原子中的拓扑物理学铺平了道路。

机械调制单光子发射器中的量子效应,最近对单层六方氮化硼(h-BN)中量子发射体的观察为光机械实验提供了新的平台,在这个平台上,单光子发射器与自由悬浮的h-BN膜的运动耦合。本文中作者提出一种方案,嵌入的色心的电子自由度通过色散力与主h-BN谐振器运动耦合。研究展示膜振动与发射器电子自由度的耦合可以达到较强的状态。

通过适当地驱动电子基态以及发射器的隔离激发态中由两个自旋电子自由度组成的Λ型三能级系统,就可获得多个电磁诱导透明的光谱。数值模拟证实了在双色驱动方案中利用量子干涉效应实现薄膜的有效振动基态冷却的实验可行性。更有趣的是,缺陷的发射光谱呈现出频率梳状结构,其频率间隔与基本振动模式一样小,这在高精度光谱中可找到应用。

狄拉克真空作为信息的传输媒介,通常,信息传输需要电磁场或物质作为载体。

事实证明,狄拉克真空模式可以作为空间中两个遥远位置之间潜在的无损信息载体。在第一位置处,放置在空间中局域的电场,该电场时间波形可被调制,比如,成为可区分振幅高低值的二进制序列。由此产生的真空状态扭曲会传播到第二位置,在那里这个数字信号可以通过静电场脉冲按顺序读出。如果该第二场是超临界的,则它可以从操纵的真空态中产生电子-正电子对。

由此,真空模式传输的原始信息就被印记在选定能量的所产生粒子产率的时间特性上。

非线性动力学和流体力学

多模光纤高阶空间模中孤子的命运,Antikainen等人在数值上表明,在一定条件下,噪声诱导的孤子自模转换在多模光纤高阶空间模式中越过孤子自频移动而起支配作用。对于频率分离,输入孤子必须将群组折射率匹配到一个低阶模式,其中拉曼增益不可忽略,并且该条件确定了从噪声生长的脉冲波长。

该现象在单模或渐变折射率光纤中没有已知的类似。结果表明,即使对于基本的噪声水平,噪声引发的物理过程也可能超越种子而占主导地位。

X射线到紫外参数下转换中的集体非线性相互作用的证据,Borodin等人观察到远离任何原子共振的奇特的非单调光子能量对于计数率和参数下转换成紫外线的x射线摇摆曲线的依赖性。这些观测结果不能用只考虑原子或键电荷响应的模型来解释,而提示用集体现象来解释这种效应。

可以提出一种解释,包括与等离子体激元的非线性相互作用,它解释了这一能量范围内峰值的存在。这篇文章意味着,x射线与紫外线或可见光之间的非线性相互作用可以作为一种强大的原子级探测器,用于探测固体中的集体效应。

原子场相互作用系统中的量子和经典李雅普诺夫指数,时间失序相关器(OTOC)的指数增长可以作为经典混沌的量子特征,其预期增长率与经典李雅普诺夫指数一致。

这种量子经典对应关系已在受击转子和运动场弹球系统中被证实,但它们都是单体混沌系统。对于具有相互作用的现实系统,该猜想尚未得到验证。我们通过研究Dicke模型中的OTOC在这一方向取得进展,其中两能级原子与量子化辐射场协同相互作用。对于模型在经典极限中混沌的参数,OTOC在时间上呈指数增长,其速率紧跟经典李雅普诺夫指数。

谐波三质点系统的自驱动分数阶旋转扩散,在平坦空间中,改变系统的速度需要外力存在。然而,由于角动量守恒定律的非完整性,孤立的非刚性系统可以自由地改变其方向。因此,这种非刚性孤立系统可以将它们的内部动态表现为旋转。本工作表明,对于这样的系统,内部混沌动力学可能导致类似于热运动的宏观旋转随机行走。在强非线性区域中研究经典谐波三质点系统,即能够零角动量旋转以及混沌运动的最简单物理模型。

在低能量下,动力学是规则的,并且系统以恒定速率旋转,具有零角动量。对于足够高的能量,可以观察到随机旋转游动。对于中间能量,系统执行旋转速率恒定的弹道击发,但间插着不可预测的方向逆转事件,从而构成一个L'evy行走的简单物理模型。这一区间中方向反转统计导致在弹道和常规扩散之间平滑插值的分数阶旋转扩散。

手性光学斯特恩-格拉赫牛顿实验,Kravets等人报道了手性光学斯特恩-格拉赫实验,其中手性液晶微球通过光学螺旋梯度产生的光学力选择性地移位。目前牛顿实验在分子尺度上预测效应的证实是迄今为止仅限于理论讨论的该领域之实验跬步。将斯特恩-格拉赫实验馈赠延伸到手性光物质相互作用应该能够培育进一步的研究,例如用于精制手性量子技术或基于自旋的光电子学。

缠结耗散光孤子内部结构的不可逆迟滞,对于具有多个未闭合和闭合涡旋线以及共存系统参数范围的三维缠结激光孤子,当系统参数缓慢且规则地跨越一个或另一个孤子的稳定性边界变化时,S.V. Fedorov等人预测其内部结构的不可逆滞后变换。在滞后循环期间,当恢复初始参数值时,孤子拓扑简化(拓扑指数的减小),其场能量减小,并且介质的能量增加。

瞬态包括一系列基本反应:涡旋线的重新连接,母涡旋线强烈弯曲后闭合涡旋环的分离,以及未封闭涡旋线的扭曲改变拓扑指数。在瞬态,新的(亚稳态)类型的局部拓扑结果表明沿闭合涡旋线的切向能量流是单向的或方向交替的。

为飞行而弯曲:合成适应揭示旋转果实的最佳飞行性能,种子,果实和其他繁殖体(散布单位)的附属物对于它们的风传播是必不可少的,因为它们起到翅膀的作用并使其能够飞行。

旋转的果实由它们的萼片产生自动旋转,这种叶状结构向上和向外弯曲,产生抵抗重力的升力。然而,果实萼片形状与飞行表现的联系尚不得而知。Jean Rabault等人开发了一个理论模型,对双翼仿生3D打印果实进行了实验,并假设植物具有有限的能量来转化物质、构建萼片还允许它们弯曲。涉及合成双翅果实的流体动力学理论和实验表明,为了产生最大飞行时间,干燥的萼片有一个最佳的折叠角。

对于在野外收集的各种旋转果实,发现了类似的萼片折叠角度,突出了翼曲率可以作为种子风散布的有效机制,并且可以在生态策略中改善其生产者的适应性。

等离子体与束物理

相对论涡旋切割器的新型光学操作,Wang等人在三维particle-in-cell模拟中,首次实现了一种由Laguerre-Gaussian (LG)模式驱动的新型相对论涡旋切割器。

研究表明,对于反射的圆偏振LGpl (p=0, l=1, σz=-1)激光,电场会像涡旋切割器一样,在每个激光波长内周期性地汇聚与发散,进而产生在空间中具有恒定周期的相对论超短准直电子团簇。作者们提出的单粒子模型证明,簇形成与轨道角动量(l)和自旋角动量(σz)参数密切相关。这种相对论涡旋切割器可应用于加速器、高通量粒子的产生、相干辐射源等。

近固体密度介质中快电子传播引发的电磁场动力学特征,Romagnani等人通过质子探测,研究了近固体密度介质中快电子电流的传播规律。在以相对论强度(Iλ2<4×1019Wcm-2μm2)聚焦的短激光脉冲(~0.6ps)照射下,介电泡沫内部会产生快速电流。质子探测直接给出了靶内部的电磁场和相关净电流演化的时空分辨特征。作者们对束成丝的渐进增长过程进行了时间解析,同时也得到了快电子束发散度的信息。

电子在高密度介质中传播的混合模拟表明,电阻效应不仅对场的产生有重要贡献,而且能很好地解释实验中观察到的场的拓扑、大小和时间增长的变化。对不同类型不稳定性的增长率的估计表明,电阻不稳定性是最有可能的束成丝的主导机制。

凝聚态物理:结构

使用时域干涉法探测量子动力耦合关联,时域干涉法(TDI)通过所谓的中间散射函数和相关的动态耦合关联,来表征能量在X射线范围的空间和时间关联,是一种很有希望的方法。然而,到目前为止,仅用它分析了经典目标系统。本文中Castrignano等通过提供量子分析,提出了一种访问量子动力学关联的方案。作者进一步展示了如何使用TDI来排除目标动力学的经典模型,并使用双势阱中的单个粒子阐述了他们的结果。

二维分子和材料中孔径对范德华相互作用的影响,尽管多孔二维(2D)分子和材料在先进技术应用中非常重要,这些系统中的空隙空间如何影响范德华(vdW)尺度面,很大程度上尚未解决。本文提出的解析和数值模型表明,在非渐近距离上仅一个孔隙的存在就会导致显著不同的vdW缩放,其中某些相对孔径尺寸服从幂律分布,这些尺寸的变化从单调递减到最小值,拓展平台,甚至最大值的形成。

这些模型与共价有机框架(COF)中二维构建模块的第一性原理方法非常一致,并揭示出,COF大环二聚体和周期双层表现出独特的、并与无孔类似物完全不同的vdW尺度行为。这些发现延伸到与纳米尺度相关的一系列距离,并且代表了迄今尚未开发的用于控制来自多孔2D分子和材料的复杂纳米结构的自组装的途径。

原子级精密硒化镉量子点尺寸依赖的晶格动力学,材料的性质敏感地依赖于原子排列和原子成键,但是由于原子的微小尺寸和获得大量相同原子簇样品的难度大,原子排列和原子成键在纳米尺寸的原子簇中难以测量。在本文中,Shi等人结合最近发展出的制作“克”量级相同半导体量子点纳米粒子技术,以及在小样品量的氢化材料中使用高能分辨率非弹性X射线散射方法测量晶格动力学技术,测量了CdSe量子点中声子态密度的尺寸依赖性。

这些纳米粒子已具有原子级精确结构的模型,所以可使用密度泛函理论计算声子态密度,这为表面覆盖物质种类的惯性对确定晶格动力学的重要作用提供了实验和理论证明。

准液体层中冰晶是如何形成的?想要从微观角度理解晶体-熔融界面,不可避免地涉及到结晶动力学,这是凝聚态物理中长期存在的挑战。在本工作中,Murata等人通过使用先进光学显微镜,在冰晶生长过程中直接观测到了冰基面和准液体层(QLLs)之间的生长界面。

该系统是研究过冷熔体中晶体生长(即所谓的熔体生长)中的分子并入过程的模型,这一过程通常被不可避免地潜热扩散和/或极高的晶体生长速率所掩盖。结果表明,QLLs中基面是通过二维单分子岛成核而一层一层的生长起来的。本工作还发现,考虑与冰接触的水分子动力会减慢的因素时,威尔森-弗兰克尔定律可以很好地描述分子岛的横向增长率。

这些结果清楚地表明,在平均表面分子涨落后,即使在基面最顶层,逐层的叠加生长模式仍能存活下来,这支持了扭结阶梯状的生长模式,即使对于熔体生长也是如此。

凝聚态物理:电子性质

量子反常霍尔效应中随机域对零霍尔平台的影响,量子反常霍尔效应(QAH)是凝聚态物理中的重要效应之一,具有电导量子化的特性。最近,实验观察到QAH中存在一个随机域的零霍尔电导平台。

本文中,作者就随机域对QAH绝缘体中零霍尔平台的影响进行了相关研究。作者指出,结构反演对称性决定了QAH系统中零霍尔平台跃迁的尺度特性。

具体表现为:在结构反演对称存在的情况下,由于解耦合的子系统具有相反的Chern数,零霍尔平台态表现为量子霍尔型临界点;而在结构反演对称性破缺的体系中,这两个子系统会混合在一起,临界点将变成临界线,并极大地改变尺度行为,例如产生霍尔电导平台切换过程中Berezinskii-Kosterlitz-Thouless型转变。该研究结果对零霍尔平台过渡过程的理论认识以及QAH绝缘体中输运实验都具有指导意义。

源于电声耦合的带边准粒子和电阻率饱和,Perepelitsky和Shastry考察了在A-15化合物等材料中发现的电阻率饱和问题。作者在无限空间Hubbard-Holstein模型下计算电阻率,在计算中保留到格点排斥能(小于等于半带宽)的二阶贡献以及电声耦合强度(λ ≤ 0.5)的一阶贡献。作者确认了一种能够得到低能准粒子和带边高能准粒子两个平行量子传导通道的独特机制。

作者还发现其中的高能准粒子来源于电子自能实部的频率依赖性曲线的正斜率。当存在声子时,自能在高温下随着温度线性增长,这导致了电阻率的饱和。当排斥能增大时,饱和温度也会随之增大,这提供了一种电子关联效应破坏饱和电阻率的机制。

转角双层石墨烯中的Kohn-Luttinger超导电性,González等人表明,最近在转角双层石墨烯(TBG)中观察到的超导电性可以解释为Kohn-Luttinger(KL)不稳定性的结果,其导致初始具有排斥相互作用的电子间形成有效的吸引。

通常,KL不稳定性发生在极低能尺度,但在TBG中,接近魔角时电子光谱中van Hove奇点(vHS)的加倍和随之而来的强耦合,导致最高价带中延伸的鞍点出现,且属于不同谷的态之间几乎完美嵌套。在费米线两个分离部分的交换下,高度各向异性的屏蔽诱导了奇宇称p波通道的有效吸引。他们还预测了临近超导相的自旋密度波不稳定性,以及靠近vHS处具有对应于嵌套矢量波矢的自旋凝聚导致电子能谱能隙的打开。

石墨烯中竞争的分数量子霍尔和电子固体相,石墨烯显示出一种由电子固体相和分数量子霍尔效应之间竞争引起的多体相。Chen等人报导了石墨烯中出现在N=2 Landau能级的“可重入”(reentrant)整数量子霍尔效应的实验现象。与高迁移率GaAs/AlGaAs异质结类似,这个效应是由于不可压缩的分数量子霍尔态和电子固体相之间的竞争造成的。石墨烯的可调性使他们能够测量电子固体相的B-T相图。

“可重入”态的层级表明自旋和谷自由度在确定基态能量中起作用。他们发现熔点随磁场而变化,并构成电子液固转变的相图。

兆巴压力下镧系超氢化物高于260K超导的证据,两项独立的研究都表明极端压力下富氢材料创纪录的高温超导性。最近对富含氢的材料在高压下的高温超导性的预测和实验观察,推动了对室温附近超导性的研究。本文中,作者对高压下镧系超氢化物中的高温超导性进行研究。

首先,作者使用调制激光加热来合成超氢化物的兆巴压力,同时将电子传输测量用的取样探针接点的完整性保持在200 GPa。通过详细分析镧系超氢化物样品的合成、表征以及输运测量结果,作者发现在180-200GPa的压力,温度冷却至260K时,电阻率会发生显著的下降。这一结果与低温x射线衍射的结果一致,同时也与密度泛函结构搜索以及Bardeen–Cooper–Schrieffer理论计算结果吻合。

Sr2RuO4中近节点手性p波超导理论,Wang等人使用泛函重整化群方法研究了超导Sr2RuO4的一种三轨道模型。研究发现,尽管配对的对称性是手性p波,原子自旋轨道耦合会诱导近节点准粒子激发,解释了为何超导Sr2RuO4在热学实验中表现出类d波特征而在核磁共振和Kerr效应中表现出手性p波三重态配对特征的困惑。

过掺杂铜氧化物La2−xSrxCuO4中缺失的超导电子的定位,过掺杂的高温铜氧化物超导体通常能用标准BCS超导理论理解。然而,各种过掺杂铜氧化物的测量表明,超流密度远小于BCS理论的预期,并随着掺杂的增加而平滑地降至零。这里,Mahmood等人在同一过掺杂La2-xSrxCuO4薄膜上结合时域太赫兹谱仪与千赫兹范围互感测量,以确定总的,超流,以及未凝聚的谱权重随掺杂的变化函数。

随着T→0,相当一部分载流子在类Drude宽峰中仍然未凝聚,而超流密度则随温度保持线性。这些观察结果似乎与现有的,杂质散射抑制类BCS d波超导体中的超流密度的理论不一致。他们的大频率测量范围使得能够独特地了解低频谱权重分布,表明随着接近临界掺杂可能存在量子相涨落。

非均匀自旋梯中的非拓扑Majorana零能模,Majorana费米子是凝聚态物理中重要的基本粒子,由于其本身所具有的特殊性质,目前,Majorana费米子已经成为量子计算领域的理想研究对象。实验上,一般在量子拓扑材料中不同相的界面上进行操纵和分离Majorana束缚态,这就使得Majorana束缚态会受到拓扑保护。

然而,实际中,拓扑保护的作用却比想象中要小,进而对Majorana束缚态的操纵和分离带来了挑战。本文中,作者证明了均匀海森堡自旋1/2梯在不同相的耦合会导致界面零能量Majorana束缚态的形成。作者指出,这些态与拓扑量子线界面上的Majorana束缚态不同,在均匀海森堡体系中形成的Majorana束缚态不受拓扑保护,容易受到宿主自旋系统的局部扰动。

同时,在广泛的参数范围内显示出高度的回弹性,这可能使它们成为实际应用中有吸引力的候选者。

铁石榴石中进动磁化翻转的异常阻尼热辅助路径,Davis等人在小磁阻尼Bi代钇铁石榴石中发现了一种可应用于亚纳秒磁存储过程的热辅助磁化翻转路径。实验和模拟结果发现这个路径涉及到恒定垂直磁场下瞬时热效应对晶轴各向异性的调制所引起的非线性磁化进动。在磁矩翻转过程中磁性阻尼会有反常增大,使得这个路径变得鲁棒。

亚纳秒级的确定性磁矩翻转仅在进动周期的一半时间内就可以完成,而且这个机制也可以应用在任意磁矩和各向异性有着不同温度依赖性的材料中。

暗模式中的非线性:极高效地产生广带太赫兹,等离激元超材料和超表面有望为发展超越普通非线性材料极限的高性能太赫兹发射器和探测器提供新的选择。

但是二阶非线性应用中简单的中继原子需要在对称性破缺和辐射阻尼引起的局域场增强中做出权衡,这是因为它们是操作共振模式所带来的固有效应而且不能对它们分别操控。本文中Fang等人提出了一种利用暗态超表面消除这种基于金属纳米共振器的非线性超表面对太赫兹信号产生效率的限制的新概念。作者所提出的方案在消除线性辐射阻尼的同时保持了非线性成分的干涉和有效辐射。

作者通过数值计算给出巨大的二阶非线性磁化率~10-11m/V,这与之前报道的分离环共振器超表面相比有一个量级的提升。相应地,这种新型结构在相同条件下的太赫兹发射能量有望达到两个数量级的增强。这个工作为研究高效、可调、非线性超设备提供了范例并为研发革命性的太赫兹技术和光电子纳米电路铺平了道路。

软物质与交叉科学

过冷胶质液体中的非均相活化、局域结构及柔软度研究,Ma等人最近利用一种“柔软度”的概念,在实验上表征了双分散过冷胶质液体中的非均匀非指数弛豫。颗粒轨迹和结构数据使颗粒能够区分为具有不同局域环境和跳跃倾向的亚群。他们测定了颗粒两次跳跃间隔的驻留时间tR,结果显示来自相同柔软度亚群中的颗粒的tR呈指数分布。

利用每个子群的平均驻留时间<tR>和Kramer反应速率模型,他们还估算了颗粒跳跃的活化能垒Eb,并表明<tR>和Eb都是柔软度的单调函数。最后,他们得出结论,认为相邻大小颗粒的混合可以决定颗粒体系的柔软度决定颗粒柔软度的大小粒子邻域组合的信息,并且明确表明过冷液体中的多个指数弛豫通道会引起其非指数行为。

盖膜的纳米级孔隙弹性决定了毛束的挠度,盖膜(TM)上的静纤毛印迹被认为是外毛细胞对盖膜剪切位移敏感的证据,它通过共振和行波机制,在形成耳蜗灵敏度和频率选择性方面起着关键作用。然而,TM是高度水合的(按重量计算是97%的水),这表明即使在单个毛细胞的水平上,TM也可能是柔韧的。

本文证明了微球探针在接触TM时的纳米级振动位移受到频率相关力的抑制,这些力在低频率和高频率时与TM位移同相位,而在过渡频率时与TM速度同相位。相位超前可以达到四分之一的周期,从而有助于频率选择性和稳定性的耳蜗放大。

DNA驻留长度对离子强度和离子类型的依赖性,尽管双链DNA的驻留长度lp在细胞生物学和纳米技术中发挥着关键作用,但其对离子强度I的依赖性缺乏共识性描述。

使用高通量单分子技术和统计物理建模,Guilbaud等人在一个0.5毫摩尔每升至5摩尔每升的大范围内测量了含有单价(Li+,Na+,K+)和二价(Mg2+,Ca2+)金属和烷基铵离子的lp。他们证明线性的Debye-Hückel型理论甚至不能描述这些数据的任一部分。

相比之下,Netz-Orland和Trizac-Shen公式,这两个近似理论包括非线性静电效应和有限DNA半径,分别在整个离子I范围内可以与二价离子和一价离子的数据显示拟合。此外,与高I的烷基铵一价离子相比,金属离子类型不影响其驻留长度。

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