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普通物理：统计与量子物理
责编：任捷；导读：王子
安德森局域的玻璃化性质：钉扎、雪崩和混沌
作者展示了大量的数值模拟，由此揭示了零温下二维安德森局域的玻璃化性质：钉扎，雪崩，以及混沌。作者首先证明，强局域性会将量子输运限制在由无序钉扎的路径上，而这些路径会随着能量的变化发生急剧且不连贯的改变。其中，粗糙度指数ζ就表征了这些路径横向涨落的大小。作者定出了ζ，并且发现它的数值ζ=2/3和定向聚合物问题中的值一致。最后，作者刻画了混沌性质，也就是电导对无序构型微小扰动的敏感度。
它与干涉效应和弱无序下普适的电导涨落以及强无序下更多类自旋玻璃的行为都相关联。
虚光子对交换调制的力学谐振子相互作用两块近距离平行排列的镜子之间会有一个微小的吸引力（Casimir效应），来源于电磁场的真空量子涨落。当其中一块镜子移动时，真空涨落也会在另一块上施加因运动而起的力。在本文中，作者考虑了一个光力学系统。它是由两块震动的镜子组成的光学谐振器。
作者发现，因运动而起的力会决定这两块空间上分离的震动镜子之间明显的耦合速率。作者证明，通过将两个力学谐振子调整到共振状态，可以使它们在量子层面上进行能量交换。此相干的运动耦合通过交换由动力学Casimir效应所产生的虚光子对得以实现。文中提出的物理过程说明，电磁量子真空可以像常规流体一样传递力学能量。作者证明，即便在激发很弱时，该系统也可以作为力学的参量下转换器发挥作用。
这些结果显示，真空导致的运动力为光力学量子技术的发展带来了新的可能。
玻色-爱因斯坦凝聚体中应用极化子的亚纳开量子非破坏性测温法文中提出了一种可测量超冷原子气体温度的非破坏性方法，它的精度超过了其他可能的技术。作者提出了一种具有最小扰动的方法，来做玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）的亚nK温度测量。该方法基于玻色极化子模型，将镶嵌在BEC中的杂质当作温度计。
由此仅通过测量杂质的位置和动量，就可以探测到温度的涨落。极为重要的是，这样的方法只会对BEC本身造成最小的反作用。因此这实现了非破坏性的温度测量。作者遵循新兴的量子测温法的范式，将来自于量子参数估计以及开放量子系统理论的工具整合了起来，以最一般的方式解决了问题。作者因此避免了任何的简化（比如假定杂质原子热化，或者杂质和BEC的耗散相互作用较弱）。
本文提出的方法可以在很多实验室普遍实际可达到的实验参数条件下得到说明与应用。因此，即便当对结果的估计建构于可得的次优测量（仅测量x2）时，该方法也可以与当前最先进的破坏性测量技术相竞争。
用压缩声子态实现的囚禁离子量子信息处理囚禁离子为量子计算和模拟提供了一个新鲜的平台，但对其中相干性的提高一直是一个重大的挑战。
本文中，作者提出并分析了一种新的思路，可以通过对离子运动参数放大，来增强囚禁离子系统中的相干相互作用。具体来说，通过压缩集体运动模式（声子），由声子所调制的自旋-自旋相互作用可以被显著地增强。作者为了展现此方法的威力，进行了如下展示：它可以增强集体自旋态，而这对量子计量学极为有用；它可以提高多离子系统中二量子比特门的速度与保真度，而这些是可扩展的囚禁离子量子计算中重要的因素。
文中结果同时也和其他众多由玻色子调制的自旋相互作用物理平台直接相关。
基本粒子与场论
责编：晁伟、刘晓辉
费曼积分卡拉比-丘几何有界集
作者定义费曼积分的刚度（rigidity）为当积分不是多重对数函数时的最小维度。作者证明无质量、四维费曼积分的刚度在L圈时不超过2(L-1)，只要这些积分属于所谓的marginal类：那些在D维有(L+1)D/2条传播子的积分。作者证明了在D维的marginal费曼积分自然而然地包含了卡拉比-丘几何。作者还提供了无质量φ4理论中有限的四维费曼积分的例子，这些积分的刚度在任意圈取到作者预言的最大值。
等离子体与束物理
责编：陈少永
基于等离子体的可调谐能量去啁啾器D’Arcy等人在FLASHForward开发了一种基于等离子体的可调谐能量去啁啾器，以降低681MeV电子束的相关能量展宽。在不降低入射束稳定性的前提下，通过束与等离子体中激发的尾场的相互作用，能量展宽从1.31％的半高全宽(FWHM)降低到0.33％。可变等离子体密度的实验结果与分析预测和三维模拟吻合较好。
原理证明的1.8 GeV/mm/m的去啁啾强度显著超过了其他先进技术所证明的去啁啾强度，这可能是未来基于等离子体尾场的自由电子激光器和高能物理设备的关键，因为这些设备中有大的固有啁啾需要去除。
黑洞射流发射的第一性原理等离子体模拟黑洞可以驱动强大的等离子射流使其达到相对论速度。这种等离子体是无碰撞的，并且通过中平面附近的电子对产生自洽地提供。
K. Parfrey等人进行了克尔黑洞磁层(Kerr-black-hole magnetospheres)的广义相对论无碰撞等离子体模拟，基于局域非屏蔽电场，从真空开始注入e±对，并最终达到包含电磁驱动的Blandford-Znajek喷流和持续电流片的稳态。粒子的普遍特征是在无限远处具有负能量，并且在Penrose过程中，对黑洞获取旋转能量有重要贡献。
产生的等离子体分布取决于电子对产生环境，作者们描述了无力场电动力学解的两种不同实现方式。这种敏感性表明，等离子体动力学将有助于解释未来中平面分辨亚毫米和红外观测结果。
激波驱动惯性约束聚变内爆中多核反应历程和燃料离子种类动力学特征的观测Sio等人利用同时测量的D3He和DT反应历程，首次定量评估了类流体动力学激波驱动的DT3He填充惯性约束聚变内爆中的燃料-离子种类动力学特征。
这些反应历程是用粒子X射线时间诊断测量的，该诊断以前所未有的精度(~10ps)测得了不同核燃烧之间的相对时序。实验观察到的相对于DT早了50±10ps的D3He反应历程时序，并不能用平均离子流体动力学模拟来解释，而应归因于激波聚焦和反射期间D、T、3He离子的燃料-离子种类分离。在激波燃烧开始时，利用测量的反应历程推断，燃烧区域中的3He/T燃料占比远高于初始充气中的值。
由于T和3He的质量相同，但电荷不同，这些结果表明，即使对于类流体动力学等离子体，荷质比也在强激波传播期间驱动燃料离子种类分离起着重要作用。
仿星器在电子拉莫尔半径尺度的抗湍流输运
尽管电子温度梯度(ETG)驱动的湍流具有超微尺度，但它仍被认为会在磁约束聚变装置中造成巨大的热损失，那么在仿星器中它又扮演了什么样的角色呢？针对Wendelstein 7-X仿星器中ETG湍流的首次数值模拟，及其初始实验运行阶段的功率平衡分析表明，ETG输运相比于其他热损失通道是可以忽略不计的。Plunk等人认为，这种效应本质上来源于多周期场的几何约束，而这是仿星器的普遍特征。
磁层开尔文-亥姆霍兹不稳定性中的湍流驱动离子束
利用局域湍流能量输运的描述和由磁层多尺度任务测得的高分辨率离子分布，提出一种强有力的方法，用于探索流体尺度能量级联和亚离子尺度等离子体行为之间的跨尺度关联。当小尺度的能量转换由阿尔芬湍流、相关速度和磁场波动主导时，加速离子束更有可能被观测到。Sorriso-Valvo等人的首次观测结果显示，波与粒子的非线性相互作用是一种可能导致空间等离子体能量耗散的机制。
凝聚态物理：结构
责编：殷志平
对用以研究金属玻璃断裂的FeP经验势的批判性分析一种被广泛用于实现FeP金属玻璃断裂行为分子动力学研究的经验势在普遍研究的成分范围内被证实展现出了旋节线分解现象。磷偏折导致材料由延性向脆性转变。在脆性断裂过程中，原子锐列纹尖端沿P浓度较高的渗透路径传播。这种脆化现象在多种化学成分中都能观察到。在整个研究体系中韧性随成分分离程度线性降低。
稳定的玻璃成型合金可在低淬火速率下淬火，一般来说在玻璃化转变温度附近或更高不表现出这种热力学不稳定行为。因此，在这些模拟中显示的微观结构不太可能反映他们试图阐明的玻璃合金的实际微观结构或断裂行为。
结晶金属的纳米成型：越小越容易与其它材料相比，将银这样的结晶金属铸造为纳米柱结构是可能的，并且对于较窄的柱结构也是更容易实现。本文报告了一种用于晶体金属的热机械纳米成型方法。
通过长宽比量化，随着模具直径的减小，该工艺变得更容易。由于所有金属和合金中都存在可靠的潜在扩散机制，因此发现的纳米成型工艺提供了一个工具箱，基本上可以将任何金属和合金塑造成纳米特征。这种多用途实用的热机械纳米成型技术为制备高表面积金属纳米结构提供了一种方法，该技术在催化剂、传感器、光电子技术、微电子学和等离子体电子学等多种应用领域具有重要影响。
凝聚态物理：电子性质
责编：袁喆，马锋杰，沈卡
二维双拓扑绝缘体中破坏镜面对称性的Rashba型效应驱动的自旋极化控制受时间反演（TR）和镜面对称性保护的三维拓扑绝缘体最近被预测且观察到。具有这种特性的二维材料及其作为器件应用潜力的研究则比较少。Acosta等人发现，在这些系统中，边缘态的自旋极化可以通过破坏镜面对称性的外部电场来控制。这种对称性要求自旋极化垂直于镜面，因此电场能诱导出平行于镜面的自旋极化分量。
由于该电场保留时间反演拓扑保护，他们提出了使用受保护边缘态的自旋方向作为开关的晶体管模型。为了说明所提出的现象的一般性，他们考虑了受到平行和垂直于结构的镜面保护的化合物，例如Na3Bi和半官能化（HF）六方化合物。为此，他们首先构建了Na3Bi化合物的紧束缚有效模型，并预测了HF-蜂窝晶格材料也是双拓扑绝缘体。
正纵向磁导率的量子振荡：一种鉴别外尔半金属的方法
对于外尔(Weyl)半金属态的测量，实验上，通常借助于角分辨光电子谱(ARPES)直接观察外尔点和费米弧。然而，ARPES的识别有时受到光谱分辨率的限制。另一种广泛使用的方法是测量手性异常引起的正纵向导磁率(LMC)。但正LMC的观测只是识别外尔半金属态的必要条件，而不是充分条件。本文中，作者首先对外尔半金属中异常的正LMC建立了一套统一的的解析理论，弥补了经典方法和超量子方法之间的差距。
进一步，作者发现，由于非平衡手性化学势的振荡，此时的LMC可表现出周期性的量子振荡。作者指出，这种在正LMC上叠加的量子振荡具有手性异常外尔半金属相的特征，对其直接观测可作为识别外尔半金属材料的有效标准。
Cd3As2拓扑表面态上奇整数量子霍尔效应的观测三维Dirac半金属薄膜中的量子霍尔效应（QHE）起源于量子受限诱导的体子带或通过体Weyl节点连接相反表面的Weyl轨道。
然而，当体Weyl节点有能隙的情况下，基于Weyl轨道的QHE是否可以存活仍然并不清楚。而且，在Dirac半金属表面上存在封闭的费米环而不是开放的费米弧，也可以承载QHE。这里，Chuan等人报导了在恒定30T磁场下，通过调节栅极电压实现三维Dirac半金属Cd3As2纳米板中的QHE。当磁场沿着[001]晶向时，能观察到奇数填充因子的量子化霍尔平台，表示来自拓扑表面态的贝里相位π。
此外，磁场沿[112]方向可观察到偶数填充因子，表明C4旋转对称性破缺和拓扑相变。这些结果为理解三维Cd3As2中QHE提供了帮助。
由界面波导谐振腔展示LaAlO3/SrTiO3中超流体密度的双模态相图
在LaAlO3/SrTiO3这两个宽带隙绝缘体的界面上，存在一个二维电子系统（two-dimensional electronsystem, 2DES），该系统由于具有超导性、强自旋轨道耦合作用以及长程自旋相干效应等而引起广泛关注。本文中，作者通过对共面波导谐振腔腔模频率的测量，探讨了LaAlO3/SrTiO3界面处的超导相图。
通过分析超导转变相图与温度和静电门控的函数关系，作者发现超流体密度和转变温度都展示出圆顶的形状，但两者不是单调相关的。经过分析，作者指出这种非单调行为是由系统基态引起的。这个二维电子系统的基态是一个约瑟夫逊结阵列，在系统从低掺杂到过掺杂的过程中，基态由短程序向长程序转变，从而诱导出非单调的行为。
三角晶格莫特绝缘体1T-TaS2的畴壁中无金属化的莫特坍缩
1T-TaS2是具有莫特绝缘体基态的电荷密度波（CDW）化合物。通过掺杂，代或脉冲电荷注入获得的金属态由层展出现的CDW畴壁网络表征，而单畴壁可以在原生莫特态中找到。这里，Skolimowski等人研究了单畴壁是否以及如何变成金属。隧穿谱揭示了Mott能隙的部分抑制以及强烈局域在畴壁位置的隙间态的存在。
利用强关联量子-顺磁基态的实空间动力学平均场理论描述，他们表明随着沿着形成畴壁的连通锯齿晶格链的跳跃(hopping)的增加，局域能隙得到抑制。此外，他们表明，由于壁的结构二聚化，全局金属化由准粒子能带分裂为成键态和反键态子带取代，从而解释了隙间态的存在以及费米能级处的低态密度。
Ba(Fe0.97Cr0.03)2(As1-xPx)2中非常规反铁磁量子临界点
当BaFe2(As1-xPx)2中3%的Fe原子被Cr原子取代时，其超导性会被完全抑制。Zhang等人通过系统地研究Ba(Fe0.97Cr0.03)2(As1-xPx)2这种材料，发现在x~0.42时会出现一个量子临界点，表现出与BaFe2(As1-xPx)2中相似的非费米液体行为。中子衍射和非弹性中子散射测量表明这个量子临界点与反铁磁序有关，而不是以ω/T标度的自旋激发为特征的常规自旋密度波型。
另一方面，当x从高掺杂水平降至0.42时，作者并未观测到低温向列磁化率发散，这说明不存在向列量子临界涨落。本文的结果表明铁基超导体中非费米液体行为可能仅仅来源于反铁磁量子临界涨落，这也对向列涨落在铁基超导体正常态性质中所起作用提出了疑问。
在透射电子显微镜中利用图案光圈测量磁性的方案
Negi等人提出了一种在透射电子显微镜中使用有图案的后采样光圈进行磁性测量的方案。该方法利用电子磁圆二色性规避了之前必须采用电子涡旋束或者像散束的要求。作者提出将标准扫描透射电子显微镜中分光仪的入射光圈替换成特定形状的光圈，就可以把这种方法应用到标准扫描透射电子显微镜中。该方案有望在宽平行电子束到原子分辨磁能谱成像的整个电子束范围工作。
分子磁体中自旋的电场控制
纳米器件中单个分子自旋的相干控制是实现分子自旋电子学器件的关键前提。一般而言，可利用磁场与电子自旋之间的塞曼效应来操控分子自旋。然而，这种方法很难实现单分子的控制，因为很难在所需的空间分辨尺度上定位磁场。本文中，作者以典型的反铁磁分子纳米磁体Cr7Mn和Cr7Ni为例，研究电场对分子磁体中自旋的控制。
通过在时间分辨电子自旋共振测量中施加电场脉冲，作者分别测量了这两种反铁磁分子磁体中自旋对外界电场的响应。结果显示：Cr7Mn中的自旋态对电场有线性依赖关系，但在Cr7Ni中却没有检测到相应的效果。虽然这两种材料结构类似，但是这两种材料的自旋量子数却不一样：Cr7Mn是S=1的反铁磁环，而Cr7Ni是S=1/2的反铁磁环。基于此，作者提出自旋-电场耦合可以用来选择性地控制嵌入纳米器件中的单个分子。
由非均匀自旋转移力矩驱动的自旋波放大和激光在基于磁振子的逻辑器件中，最主要的是能够高效地控制和操控自旋波。而在这过程中，由于自旋角动量的损耗和磁化的弛豫，导致体系中自旋波的寿命十分有限，从而限制了基于磁振子器件的开发和设计。本文中，作者证明在适当的条件下，金属铁磁体中自旋转移力矩的不均匀性可以有效地放大入射自旋波。
此外，作者还发现，在非零温度下，若入射的热自旋波被放大，那么在具有非均匀自旋转移力矩的区域将自发地发射自旋波，从而构成自旋波激光器。该研究为磁子学领域的发展提出了新可能。
多铁隧道结中界面自旋过滤的铁电操控氧化物界面上发生的电子结构重构可能是未来氧化物电子学中有趣器件概念的来源。在氧化物器件中，多铁隧道结因为有望通过独立操控电极的磁矩方向和隧穿势垒铁电极化方向来调制结电流而被大量研究。
本文中，Tornos等人发现La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3/La0.7Sr0.3MnO3多铁隧道结中的自旋过滤功能源于界面处的自旋重构并可以通过翻转铁电极化方向进行开关操作。铁电操控界面自旋过滤器可以实现隧穿磁阻从10%到1000%的巨大电调制，这可能会激发起氧化物低功耗自旋电子学中的新器件概念。
软物质与交叉科学
导读：巫浩；责编：涂展春
高度纠缠的柱状高分子刷中的拉伸应变硬化
致密柱状高分子刷（DB）中的高应变构象对这些类型的大分子的动力学具有重要影响。理解其对线性和非线性粘弹性响应的影响对于设计和加工至关重要。López-Barrón和Shivokhin研究了具有十六个碳骨架长度的线性侧链的聚（1-十八烯）的高度纠缠的α-烯烃DB，并与具有等效线性粘弹性响应的线性聚烯烃（聚丙烯）的非线性响应进行比较。作者发现DB显示出比线性聚烯烃明显更大的拉伸应变硬化和伸长率。
强应变硬化归因于应变诱导的相应链之间的摩擦阻力的增加，这是由于侧链交错和垂直于流动的排列引起的。先前的工作已经预测了DB与线性对应物相比具有更高的伸展性。本文首次在DB熔体中证实了这一预测。
力矩系综中的协议依赖和状态变量Bililign等人在基于应力的系综中引入类似温度的变量，从而获得颗粒材料的状态方程。
为了测试这种方法的功效，作者在三种负载条件下对二维光弹性颗粒系统进行实验：单轴压缩，双轴压缩和简单剪切。作者由粒子间的力推测出粗粒化力矩张量的法向分量的分布具有指数尾特征，而偏分量是高斯分布的。这意味着基于应力的统计力学保持力矩张量守恒和麦克斯韦－克雷莫纳力覆盖面积守恒。因此，出现了两个状态变量：angoricity张量（α）和类似温度的量keramicity（κ），后者与力覆盖面积相关。
作者观察到每个量都与全局束缚压强成反比；然而，只有κ表现出状态变量所期望的协议独立性，而α的行为则像一个过程变量。