鑽石舞台

作者研究了在給定的高維測量集M下量子信息的壓縮。這裡有一個可模擬性的概念，即作者要求從M和任意量子態ρ得到的統計量，可以通過將ρ壓縮到一個低維空間並進行一些量子測量，來精確地恢復。當且僅當集合M是聯合可測的，完全量子壓縮會是可能的（即只留下經典信息）。因此，作者的可模擬性概念可以被看作是測量不相容維度的量化。在定義了這些概念之後，作者給出了一個涉及相互無偏基的實例，並提出了一種基於半定規劃的模擬模型構建方法。作者解析地為所有受白噪聲或損失影響的投影測量構建最優模擬模型。最後，作者討論了他們的方法如何與在量子信道和量子關聯的背景下引入的其他概念聯繫起來。

（譚宇濤）

Simulability of High-Dimensional Quantum Measurements

Marie Ioannou, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 190401 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.190401

[編輯推薦] 對玻色氣體中湍流發生的觀察使研究人員能夠探索湍流是如何產生的。

作者在均勻的二維玻色氣體中實現了波激勵的湍流級聯，並在所有相關的時間和長度標度上探測了它如何從小動量到大動量，直到系統達到具有匹配的能量注入和耗散的穩態。這種全標度視角直接揭示了湍流形成的兩個理論預期基石——在各向異性強迫下統計動量-空間各向同性的湧現和動量分布於任何能量耗散之前的時空尺度。

（譚宇濤）

Emergence of Isotropy and Dynamic Scaling in 2D Wave Turbulence in a Homogeneous Bose Gas

Maciej Gałka, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 190402 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.190402

在標準的量子傳感(QS)任務中，通過對系統的測量，目標是估計一個未知參數θ，該參數被編碼到n量子比特探針態中。這項任務的成功取決於能否將參數的變化與系統響應R(θ)的變化(即測量結果的變化)關聯起來。對於簡單的情況，R(θ)的形式是已知的，但對於現實的情況則不能這樣說，因為不存在一般的封閉形式的表達式。本文中，作者提出了一個基於推理的QS方案。作者證明，對於普適類編碼的幺正族，R(θ)可以通過僅測量2n+1個參數的系統響應來完全表徵。這允許我們在給定的測量響應下推斷未知參數的值，以及確定方案的靈敏度，這表徵了其總體性能。作者表明，如果用僅為Ω(log3(n)/δ2)量級的次數測量系統響應，推理誤差(在很大概率下)小於δ。此外，所提出的框架可以被廣泛應用，因為它仍然適用於任何探測態和測量方案，甚至在量子噪聲存在的情況下。作者還討論了如何將他們的結果擴展到幺正族之外。最後，為了展示作者的方法，作者在真實的量子硬件和數值模擬中實現了一個QS任務。

（譚宇濤）

Inference-Based Quantum Sensing

C. Huerta Alderete, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 190501 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.190501

在量子熱力學中，製備一個量子系統的某一個一般性狀態需要消耗兩類資源，即：功與能量相干性。人們已經證明，製備量子態的功消耗是由其自由能決定的。本文作者考慮一個類似的系統，然而他們考慮了沒有功消耗限制的情況下量子態製備過程消耗的相干性。其中，相干性的消耗被定義為在製備目標系統的副本時，所需要消耗的純相干態系統的最小比率。作者證明，相干性消耗由在時間參量上定義的量子Fisher信息所決定。這就給量子Fisher信息這一量子計量學中關鍵的物理量提供了一種新的操作性詮釋。本文提出的理論還揭示了量子Fisher信息的兩個根本性質之間的聯繫，而這是先前被人們所忽視的。

（王子）

Operational Interpretation of Quantum Fisher Information in Quantum Thermodynamics

Iman Marvian

Phys. Rev. Lett. 129, 190502(2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.190502

真多方糾纏代表了最強的糾纏類型，是量子信息處理的重要資源。檢測真多方糾纏的標準方法，例如糾纏目擊、態層析或量子態驗證，需要充分了解希爾伯特空間維度和測量設備的精確校準，而這些通常在實驗中很難獲得。克服這些問題最根本的方法是僅根據實驗中收集的測量結果的類貝爾關聯來檢測糾纏，即器件無關。然而，由於難以確定最優的多方貝爾不等式和態不純容忍的協議，用這種方式認證實際多方態的真糾纏是困難的，並且量化它更是困難的。本文中，作者探索了一種普適且魯棒的器件無關的方法，它可以應用於任意有限維的各種現實的多方量子態，而僅僅依賴於二部貝爾不等式。作者的方法既能認證真多方糾纏的存在，又能量化它。用該方法測試了幾類重要的糾纏態，從而檢測出真糾纏態。作者還認證了弱糾纏Greenberger-Horne-Zeilinger態的真多方糾纏，表明該方法同樣適用於較不標準的態。

（譚宇濤）

Certification of Genuine Multipartite Entanglement with General and Robust Device-Independent Witnesses

Chao Zhang, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 190503 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.190503

最大糾纏態是許多量子通信和計算任務中的關鍵資源，其認證是保證所需功能的關鍵因素。作者引入了集體策略，用於有效的局域驗證貝爾對系綜，即利用初始信息和噪聲轉移到他們的測量之前的少數副本。通過這種方式，需要測量並因此被銷毀的糾纏對的數量顯著減少，與以前的方法相比，甚至是最優時是在單個副本上操作。此外，其餘的態是直接認證的。作者表明，他們的工具可以擴展到其他問題和更大類的多方狀態。

（譚宇濤）

Collective Operations Can Exponentially Enhance Quantum State Verification

Jorge Miguel-Ramiro, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 190504 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.190504

[編輯推薦] 對混沌系統動力學施加約束會產生了相變，該相變屬於定向滲透普適類。

在最近的一項工作中[A. Deger et al., Phys. Rev. Lett. 129, 160601 (2022)]，作者證明了動力學約束可以完全抑制經典確定性的且平移不變的自旋系統動力學中的多體混沌，約束的強度驅動了動力學相變。通過大量的數值模擬和標度分析，作者證明了這種約束誘導相變在一維和二維空間中都屬於定向滲流普適類。

（譚宇濤）

Constrained Dynamics and Directed Percolation

Aydin Deger, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 190601 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.190601

在這篇論文中，作者利用廣義的殼外自由能，將黑洞解視為熱力學參數空間中的缺陷。結果表明，缺陷對應的正負繞組數分別表示局部熱力學穩定和不穩定的黑洞解。拓撲數定義為任意給定溫度下所有黑洞分支的繞組數之和，可以證明它是一個與黑洞參數無關的通用數。而且，這個拓撲數隻依賴於黑洞溫度在小黑洞和大黑洞極限下的熱力學漸近行為。通過這個拓撲數，不同的黑洞系統可以分為三類。這個數字可以幫助我們更好地理解黑洞熱力學，並進一步闡明量子引力的基本性質。

Black Hole Solutions as Topological Thermodynamic Defects

Shao-Wen Wei, Yu-Xiao Liu and et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 191101 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.191101

The localization and distance inference of gravitational waves are two crucial factors for dark sirens as precise probes of cosmology, astrophysics, and fundamental physics. In this Letter, for the first time we investigate the parameter estimation of gravitational waves emitted by the eccentric compact binaries in the midfrequency (0.1–10 Hz) band. Based on the configuration of one cluster of DECIGO (B-DECIGO), we simulate five types of typical compact binaries in GWTC-3 with component mass ranging from O(1 ∼ 100) M⊙. For each type of binaries, we assign discrete eccentricities from 0 to 0.4 at 0.1 Hz in 103 random orientations. The multiple harmonics induced by eccentricity can break the degeneracy between parameters. We find that with eccentricity e0 = 0.4, these typical binaries can achieve O(102–104) improvement for the distance inference in the near face-on orientations, compared to the circular case. More importantly, a nonvanishing eccentricity (0.01–0.4) can significantly improve the source localization of the typical binary black holes, most by 1.5–3.5 orders of magnitude. Our result shows the remarkable significance of eccentricity for dark sirens in the midband as precise probes of the Universe.

Eccentricity of Long Inspiraling Compact Binaries Sheds Light on Dark Sirens

Tao Yang, Rong-Gen Cai and et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 191102 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.191102

脈衝超新星反饋和非標準暗物質模型，例如自相互作用暗物質 (SIDM)，是矮星系尺度上主導核心形成機製作用的兩個主要競爭者。該研究展示了爆發性恆星形成之後的脈衝超新星周期在恆星的分布函數中留下了明顯的特徵：具有相似年齡和金屬豐度的恆星群在相空間中形成了過密的殼層。如果核心是通過超新星反饋形成的，作者預測在具有核心宿主暈的恆星形成矮星系中存在這種特徵。它們的系統性缺失將有利於替代暗物質模型，例如 SIDM，作為主要的核心形成機制。

Kinematic Signatures of Impulsive Supernova Feedback in Dwarf Galaxies

Jan D. Burger, Jesús Zavala and et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 191103 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.191103

The nature of dark matter is one of the most important unsolved questions in science. Some darkf matter candidates do not have sufficient nongravitational interactions to be probed in laboratory or accelerator experiments. It is thus important to develop astrophysical probes which can constrain or lead to a discovery of such candidates. We illustrate this using state-of-the-art measurements of strong gravitationally lensed quasars to constrain four of the most popular sterile neutrino models, and also report the constraints for other independent methods that are comparable in procedure. First, we derive effective relations to describe the correspondence between the mass of a thermal relic warm dark matter particle and the mass of sterile neutrinos produced via Higgs decay and grand unified theory (GUT)-scale scenarios, in terms of large-scale structure and galaxy formation astrophysical effects. Second, we show that sterile neutrinos produced through the Higgs decay mechanism are allowed only for mass > 26 keV, and GUT-scale scenario > 5.3 keV. Third, we show that the single sterile neutrino model produced through active neutrino oscillations is allowed for mass > 92 keV, and the three sterile neutrino minimal standard model (νMSM) for mass > 16 keV. These are the most stringent experimental limits on these models.

Constraints on Sterile Neutrino Models from Strong Gravitational Lensing, Milky Way Satellites, and the Lyman-α Forest

Ioana A. Zelko, Tommaso Treu and et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 191301 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.191301

結合來自微透鏡和萊曼-α森林的約束，作者提供了一個簡單的論據來證明恆星質量原初黑洞在形成時的大空間聚集，例如由大非高斯性的存在引起的聚集，是被排除在外的。因此，不可能通過增強它們的初始聚類來規避現有的限制，以避免恆星質量的原初黑洞成為暗物質的主要組成部分。

Ruling Out Initially Clustered Primordial Black Holes as Dark Matter

Valerio De Luca, Gabriele Franciolini and et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 191302 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.191302

作者報道了最近用冷中子的Ramsey-型裝置搜索類軸子暗物質粒子（ALP）的結果。猜想的ALP-膠子耦合可以在中子電偶極矩隨時間的震盪信號中體現。作者分析了24小時中頻率在23  μHz到1 kH的數據，並沒有發現顯著的震盪信號。利用目前的暗物質-物質模型可以對ALP與膠子的耦合在質量區間10−19 ~ 4×10−12  eV作出限制。在質量區間2×10−17 ~ 2×10−14  eV，作者得到了CG/fama=2.7×1013  GeV−2 (95% 置信度)的最好限制。

New Limit on Axionlike Dark Matter Using Cold Neutrons

Ivo Schulthess et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 191801 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.191801

Investigating principles for storage of quantum information at finite temperature with minimal need for active error correction is an active area of research. We bear upon this question in two-dimensional holographic conformal field theories via the quantum null energy condition that we have shown earlier to implement the restrictions imposed by quantum thermodynamics on such many-body systems. We study an explicit encoding of a logical qubit into two similar chirally propagating excitations of finite von Neumann entropy on a finite temperature background whose erasure can be implemented by an appropriate inhomogeneous and instantaneous energy-momentum inflow from an infinite energy memoryless bath due to which the system transits to a thermal state. Holographically, these fast erasure processes can be depicted by generalized AdS-Vaidya geometries described previously in which no assumption of specific form of bulk matter is needed. We show that the quantum null energy condition gives analytic results for the minimal finite temperature needed for the deletion which is larger than the initial background temperature in consistency with Landauer’s principle. In particular, we find a simple expression for the minimum final temperature needed for the erasure of a large number of encoding qubits. We also find that if the encoding qubits are localized over an interval shorter than a specific localization length, then the fast erasure process is impossible, and furthermore this localization length is the largest for an optimal amount of encoding qubits determined by the central charge. We estimate the optimal encoding qubits for realistic protection against fast erasure. We discuss possible generalizations of our study for novel constructions of fault-tolerant quantum gates operating at finite temperature.

Erasure Tolerant Quantum Memory and the Quantum Null Energy Condition in Holographic Systems

Avik Banerjee, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 191601 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.191601

We explore the analytic structure of the three-channel S matrix by generalizing uniformization and making a single-valued map for the three-channel S matrix. First, by means of the inverse Jacobi’s elliptic function we construct a transformation from eight Riemann sheets of the center-of-mass energy complex plane onto a torus, on which the three-channel S matrix is represented single-valued. Second, we show that the Mittag-Leffler expansion, a pole expansion, of the three-channel scattering amplitude includes not only topologically trivial but also nontrivial contributions and is given by the Weierstrass zeta function. Finally, taking a simple nonrelativistic effective field theory with contact interaction for the S=−2, I=0, JP=0+, ΛΛ−NΞ−ΣΣ coupled-channel scattering, we demonstrate that as a function of the uniformization variable the scattering amplitude is, in fact, given by the Mittag-Leffler expansion and is dominated by contributions from neighboring poles.

Analytic Map of Three-Channel S Matrix: Generalized Uniformization and Mittag-Leffler Expansion

Wren A. Yamada, Osamu Morimatsu, and Toru Sato

Phys. Rev. Lett. 129, 192001 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.192001

文章利用運行在BEPCII儲存環上的BESIII探測器所搜集的(10.09 ± 0.04)×109  J/ψ事例，對J / ψ → γ η η ′衰變進行了分波分析。文章報道了J / ψ → γ η η ′中的J/ψ→γη1(1855)過程，首次觀測到了帶有奇特量子數JPC = 1−+的同位旋標量態，記為η1(1855)。經過測量，它的質量和寬度分別為和 ，這裡第一個誤差是統計誤差，第二個是系統誤差。統計誤差估計大於19 σ.

Observation of an Isoscalar Resonance with Exotic J P C = 1 − + Quantum Numbers in J / ψ → γ η η ′

M. Ablikim et al. (BESIII Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 129, 192002 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.192002

從描述在磁場中運動的大質量自旋1/2粒子的運動理論出發，Samapan Bhadury等人在小極化強度極限下，得到了相對論的無阻耗散磁流體動力學方程。他們採用弛豫時間近似處理相對論玻爾茲曼方程中的碰撞內核，計算了自旋極化粒子相空間分布函數的非平衡修正，證明了該框架能夠自然導致著名的愛因斯坦–德哈斯（Einstein-de Haas）和巴尼特（Barnett）效應的出現，得到了多重輸運係數，並且首次展示了在流體動力學方程的梯度階會出現自旋和磁場的耦合。

Relativistic Spin Magnetohydrodynamics

Samapan Bhadury et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 192301 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.192301

當布局到量子網絡中時，能夠存儲多種空間模式的量子存儲器在速度和魯棒性方面具有優勢。當涉及到空間自由度時，軌道角動量模式由於能夠實現固有的無限維編碼而受到廣泛關注。雖然在以往的工作中已經實現了軌道角動量量子位或量子位的可靠存儲，但由於空間相關退相干的限制，所實現的壽命仍在幾微秒量級。作者在這裡通過同時抑制橫向和縱向退相干，展示了軌道角動量量子阱的長壽命量子存儲器；在400微秒的存儲時間後，所獲得的保真度超過了量子經典標準，比之前的工作長了2個數量級。目前的工作有望建立高維量子網絡。

Long-Lived Memory for Orbital Angular Momentum Quantum States

Ying-Hao Ye, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 193601(2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.193601

作者從理論上表明，兩個懸浮的、相互作用的納米粒子的反饋冷卻能夠實現力的差分傳感和靜止糾纏的觀測。反饋驅動兩個粒子進入一種靜止的、非熱的狀態，這種狀態容易受到非均勻力場的影響，並表現出足夠強的粒子間耦合的糾纏。作者預測在仄牛頓每微米量級的力梯度傳感是可行的，並且由於帶電粒子之間的庫侖相互作用而產生的糾纏可以在最先進的裝置中真實地觀察到。

Force-Gradient Sensing and Entanglement via Feedback Cooling of Interacting Nanoparticles

Henning Rudolph, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 193602(2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.193602

在量子邏輯光譜中，一種被捕獲的離子被用作傳感器，以探測其他無法到達的離子的狀態。這將精密測量擴展到更廣泛的原子和分子系統，如原子鐘和基礎物理測試等應用。在此，作者開發了一種基於薛定諤貓干涉儀的新技術，以解決將量子邏輯光譜擴展到更大離子數的問題。作者用25Mg+邏輯離子和27Al+光譜離子的不同組合證明了這種方法的基本特徵。通過增加25Mg+離子的數量，作者觀察到更高的檢測效率。應用於多個27Al+，該方法將提高高精度光學時鐘的穩定性，並可實現海森堡極限量子邏輯光譜學。

Scalable Quantum Logic Spectroscopy

Kaifeng Cui, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 193603(2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.193603

糾纏光子對是量子技術中許多新應用的關鍵。半導體量子點可以作為按需提供的高度糾纏光子的來源。固定最大糾纏態的保真度受到激子精細結構分裂的限制。這項工作表明，即使沒有這種分裂，當雙光子共振方案中的激發脈衝具有有限的持續時間時，糾纏度也無法達到統一。糾纏的退化源於激光脈衝本身引起的激子態的動態誘導分裂。因此，在這裡探索的設置中，激發過程限制了在光激發四能級量子發射器中產生的糾纏光子的可實現並發性。

Two-Photon Excitation Sets Limit to Entangled Photon Pair Generation from Quantum Emitters

T. Seidelmann, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 193604(2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.193604

Ketzmerick等人推測散射系統中的混沌共振模式是經典動力學中的條件不變量和普適指數分布漲落的產物。第一個因素的多重分形結構強烈依賴於模態的壽命，描述了具有相似壽命模態的平均值。對於具有小波長混沌射線動力學的電介質腔，特別是對於具有最長壽命的實驗相關模式，該猜想得到了支持。作者用多重分形和普適漲落解釋了絕大多數模式沿射線片段的疤痕，這與周期軌道疤痕在概念上是不同的。

Chaotic Resonance Modes in Dielectric Cavities: Product of Conditionally Invariant Measure and Universal Fluctuations

Roland Ketzmericket al.

Phys. Rev. Lett. 129, 193901(2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.193901

激波點火可以在低內爆速度下實現高增益，減少燒蝕性的瑞利-泰勒不穩定性增長，從而降低傳統的直接驅動。使用這種方法驅動強激波需要高激光功率和強度，這將導致驅動效率低下，並產生可預熱燃料的熱電子。R. H. H. Scott等人提出了一種新的 "激波增強點火 "脈衝形狀，通過在發射強激波前對燒蝕等離子體進行預處理，可以實現熱核燃料的激波點火，更重要的是，大大降低了對激光功率和強度的要求。激波點火降低了對激光強度的要求，因此一定程度上避免了激光-等離子體不穩定性，例如受激拉曼和布里淵散射，降低了熱電子預熱的風險，並恢復了傳統直接驅動的激光耦合優勢。模擬結果表明，由於功率要求降低，在國家點火裝置等現有裝置的功率和能量限制內，可能實現大規模直接驅動內爆(外半徑約1750 μm，氘-氚冰厚度約165 μm)的高增益(~ 100)點火。此外，將這一概念擴展到間接驅動內爆，在內爆速度降低時產率大幅增加。激波增強點火擴大了激光慣性聚變的可行設計空間。

（劉泰齊）

Shock-Augmented Ignition Approach to Laser Inertial Fusion

R. H. H. Scott, et al.

Phys. Rev. Lett. 129,195001(2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.195001

Moody等人通過將26T的外部軸向磁場施加到國家點火裝置上間接驅動靶丸，實驗觀察到，在面密度和溫度接近聚變點火所需的臨界點時，離子溫度提高了40%，中子產額提高了3.2倍。這些數據是通過對反應產生的2.45MeV中子的能譜測量結果來確定的，利用來自反應的14.1MeV次級中子估算的壓縮中心磁場為。該實驗使用30kV的脈衝電源系統，將a～3μs的電流脈衝輸送到纏繞在新型高電阻率空腔周圍的螺線管線圈上。輻射磁流體動力學模擬與實驗一致。

（陳鵬）

Increased Ion Temperature and Neutron Yield Observed in Magnetized Indirectly Driven -Filled Capsule Implosions on the National Ignition Facility

J. D. Moody, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 195002 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.195002

自然界中大尺度磁場的存在通常歸因於湍流螺旋動力驅動的磁螺旋反級聯。Guillaume Bermudez等人的研究表明，在湍流螺旋動力中，大尺度磁螺旋度的反通量受限制，其中是能量注入率，是Kolmogorov磁耗散波數，是一階常數。假設採用經典的各向同性湍流尺度，磁螺旋度的反通量至少以的冪律隨磁雷諾數下降：, 其中是磁普朗特數，是作用特徵長度。研究通過湍流動力的中等尺度直接數值模擬證明了上述關係。進一步研究表明，非線性飽和的原因是反級聯和耗散在域尺度L下的平衡，磁能的飽和值是，數值模擬也證明了上述表達式，且這些結果與所考慮的動力機制無關。該研究結果意味着無粘性機制不能解釋大尺度的磁場，並且對天體物理動力源的建模具有重要意義。

（劉泰齊）

Saturation of Turbulent Helical Dynamos

Guillaume Bermudez, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 195101 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.195101

最近的原子物理實驗和數值工作報告了在具有阻斷相互作用的模型中拓撲量子自旋液體出現的互補特徵。然而，穩定這個相的具體機制仍不清楚。在這裡，作者介紹了籠目晶格上的Ising-Higgs晶格規範理論和Ruby晶格上的阻斷模型之間的確切關係。這一關係通過將拓撲自旋液體直接與一個可解規範理論的去禁閉相聯繫起來，闡明了先前觀察到的拓撲自旋液體的起源。通過精確對角化和無偏量子蒙特卡羅模擬，作者證明了去禁閉相在參數空間的一個寬闊區域內延伸；這些態的特徵是基態與共振價鍵波函數有很大的重疊。這些阻斷模型包括產生或湮滅和躍遷動力學，可以用里德堡修飾原子實驗實現，為自旋液體態工程和表徵提供了新穎和可控的平台。

（鄭鵬宇）

Gauge-Theoretic Origin of Rydberg Quantum Spin Liquids

P. S. Tarabunga et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 195301 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.195301

當溫度下降時，深過冷液體表現出不同的粘度和越來越不均勻的動力學，但它們的結構似乎只顯示出微小的變化。理解這種急劇減速中的弛豫過程的特點是理解玻璃化轉變的關鍵。在這裡，作者通過原子模擬表明，玻璃形成液體的非均質動力學與沿初始固有結構計算的軟方向的局部殘餘塑性強度密切相關。該相關性隨溫度的降低而增加，在弛豫時間附近達到最大值。對於研究的最低溫度，相關性最大值與處理結構-性質關係的文獻中的最佳值相當。然而，軟方向局部剪切阻力的非線性探測提供了鬆弛過程的實空間圖像。作者的熱重排檢測方法能夠研究第一次通過時間統計量，並研究活化能壘與殘餘塑性強度之間的比例關係。這些結果強調了粘性液體中的熱弛豫和非晶態固體中的塑性剪切轉變之間的相似性，從而揭示了玻璃系弛豫的性質。

（劉瑞）

Relevance of Shear Transformations in the Relaxation of Supercooled Liquids

M. Lerbinger, A. Barbot et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 195501 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.195501

高維拓撲相在通過降維過程理解低維拓撲相和相關拓撲響應方面起着關鍵作用。在本文中，Zhu等人提出了一個受CP對稱性保護的四維Z2拓撲絕緣體的Dirac-type模型，其三維邊界支持奇數個Dirac錐。特定的擾動將每個有質量的體相Dirac錐劈裂為兩個在能量-動量空間中具有相反第二陳數的谷，其中3D邊界模成為一個節點球或一個Weyl半金屬相。通過引入電磁場和贗電磁場，揭示了4D系統的奇異拓撲響應，在低能區這些拓撲響應可以用(4+1)D混合Chern-Simons理論描述。值得注意的是，當體能隙通過產生奇異的雙節點線或節點-超環面無能隙相閉合時，從CP-破缺的Z2拓撲絕緣體到Z拓撲絕緣體會發生幾個拓撲相變。最後，他們建議通過冷原子實驗來探索這些拓撲效應。

(趙鑫磊)

Topological Electromagnetic Effects and Higher Second Chern Numbers in Four-Dimensional Gapped Phases

Yan-Qing Zhu et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 196602 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.196602

We present the first theoretical study of transport properties of Weyl semimetals with point defects. Focusing on a class of time-reversal symmetric Weyl lattice models, we show that dilute lattice vacancies induce a finite density of quasilocalized states at and near the nodal energy, causing strong modifications to the low-energy spectrum. This generates novel transport effects, namely, (i)an oscillatory behavior of the dc conductivity with the charge carrier density in the absence of magnetic fields, and (ii) a plateau-shaped dissipative optical response for photon frequencies below the interband threshold,EF≲ℏω≲2EF. Our results provide a path to engineer unconventional quantum transport effects in Weyl semimetals by means of common point defects.

Anomalous Transport Signatures in Weyl Semimetals with Point Defects

J. P. Santos Pires et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 196601 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.196601

In a low-disorder two-dimensional electron system, when two Landau levels of opposite spin or pseudospin cross at the Fermi level, the dominance of the exchange energy can lead to a ferromagnetic, quantum Hall ground state whose gap is determined by the exchange energy and has skyrmions as its excitations. This is normally achieved via applying either hydrostatic pressure or uniaxial strain. We study here a very high-quality, low-density, two-dimensional hole system, confined to a 30-nm-wide (001) GaAs quantum well, in which the two lowest-energy Landau levels can be gate tuned to cross at and near filling factorν=1. As we tune the field position of the crossing from one side ofν=1to the other by changing the hole density, the energy gap for the quantum Hall state atν=1remains exceptionally large, and only shows a small dip near the crossing. The gap overall follows aB1/2dependence, expected for the exchange energy. Our data are consistent with a robust quantum Hall ferromagnet as the ground state.

Robust Quantum Hall Ferromagnetism near a Gate-Tuned ν=1 Landau Level Crossing

Meng K. Ma et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 196801 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.196801

發展對於自旋退相干的微觀理解對於推進量子技術發展至關重要，而原子振動（聲子）引起的電子自旋退相干起着特殊的作用，因為它是基於自旋的量子器件性能的內在限制。聲子誘導自旋退相干的兩個主要來源是Elliott-Yafet機制和Dyakonov-Perel機制，這兩種機制有着不同的物理起源和理論方法。在本文中，作者展示了統一兩者模型的計算，並能夠準確預測半導體中的自旋弛豫和進動。作者用類似於QED中反常電子磁矩的計算方法來計算自旋-自旋關聯函數中聲子修正的頂角。作者發現，頂角修正提供了固體中自旋動力學的巨大重整化，比真空中光子相應的修正大了許多數量級。本文展示了一種定量分析材料中自旋退相干的一般方法，推動了對基於自旋的量子技術的探索。

（郭儒達）

Predicting Phonon-Induced Spin Decoherence from First Principles: Colossal Spin Renormalization in Condensed Matter

J. Park et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 197201 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.197201

非經典量子效應會顯著影響介觀尺度特徵尺寸在約2～20 nm之間的等離子體納米諧振器的光學響應，並且可以用表面響應Feibelman d參數表示的非經典電磁邊界條件（Nonclassical electromagnetic boundary condition, NEBC）來完全描述。在本文中，作者提出了NEBC下的准正交模（Quasinormal mode, QNM）展開理論。通過採用經典電磁邊界條件下易於求解的經典QNM作為一組完備的基函數，給出了非微擾NEBC下非經典無源QNM和源激發電磁場的嚴格展開式。以得到的非經典QNM為基函數，進一步得到了非經典源激發場和格林函數張量的展開式。這些展開完全依賴於NEBC和經典QNM，從而清楚地揭示了它們對非經典QNM和源激發電磁場的影響。例如，為了分析非經典修正的Purcell因子，提出了一種新的模態體積表達式。本文所提出的理論具有物理直觀性和計算效率，這得益於一小組經典QNM的優勢，從而為理解和設計介觀尺度等離子體納米諧振器提供了有效的工具。

（劉芮西）

Quasinormal Mode Expansion Theory for Mesoscale Plasmonic Nanoresonators: An Analytical Treatment of Nonclassical Electromagnetic Boundary Condition

C. Tao et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 197401 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.197401

Chen等人提出了具有淬火隨機場無序的不可壓縮極性活性流體的流體動力學理論。該理論表明，這種流體可以克服淬火無序引起的破壞並連貫地運動，從而在流體動力學極限中具有非零平均速度。但是，這類活性系統的標度行為無法通過在維度為2到5之間的空間維度中線性化流體動力學來描述。儘管如此，作者在這些維度中獲得了精確的依賴於維度的標度指數。

Incompressible Polar Active Fluids with Quenched Random Field Disorder in Dimensions d>2

Leiming Chen, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 198001 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.198001

熱棘輪可以從隨機漲落中提取有用功。這在分子尺度（例如馬達蛋白）上很常見，並且也已用於實現微流控裝置中的定向輸運。在本快報中，Patil等人使用棘輪原理在外部驅動的磁膠體中產生淨運動，否則該膠體表現出倒易（來回）運動。實驗系統基於由振盪磁場驅動的鐵磁微螺旋，在該微螺旋中，倒易對稱性通過不對稱的驅動時間尺度發生破缺。游泳者表現出具有增強擴散率的淨運動，與數值計算一致。這類新的微觀磁驅動的活性膠體可以提供一個有前景的實驗平台來模擬自然世界中的各種活性物質現象。

Using the Thermal Ratchet Mechanism to Achieve Net Motility in Magnetic Microswimmers

Gouri Patil, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 198002 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.198002

[編輯推薦] 機器學習工具求解超材料拼圖：一個新的工具可以確定構件的集合是否會組裝成機械上合理的結構。

在難題、摺紙和（超）材料設計中出現的組合問題很少有定義了構型空間中的複雜和鮮明界限的成套解決方案。這些邊界很難用傳統的統計和數值方法捕獲。在本快報中，van Mastrigt等人表明卷積神經網絡可以學習識別組合機械超材料的這些邊界的精細結構，儘管使用了大量的不足度採樣訓練集，但仍可以成功地推廣。這表明該網絡從稀疏訓練集中推斷出潛在的組合規則，從而為（超）材料的複雜設計開闢了新的可能性。

Machine Learning of Implicit Combinatorial Rules in Mechanical Metamaterials

Ryan van Mastrigt, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 198003 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.198003

自發漲落和刺激反應是神經功能的重要特徵，但是尚不清楚它們是如何聯繫在一起的。Lindner推導出自發的脈衝和電壓關聯之間的漲落耗散關係（FDR）以及對於（i）具有白噪聲的泄漏集成和放電（IF）模型（ii）具有任意電壓依賴、適應電流和關聯噪聲的IF模型的放電率敏感性。 FDR可用於解析地推導迄今為止未知的統計信息[模型（i）]或其他無法獲得的內在噪聲統計[Model（ii）].

Fluctuation-Dissipation Relations for Spiking Neurons

Benjamin Lindner

Phys. Rev. Lett. 129, 198101 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.198101

表面附着的細菌生物膜會導致疾病和工業生物污垢，並在自然環境中廣泛分布。密度依賴性的群體感應是與生物膜起始有關的機制之一。在本快報中，Sinclair等人介紹並分析了觸發生物膜起始的群體感應模型。在作者的模型中，個體的浮游細菌粘附在表面上，增殖並經歷集體轉變為生物膜表型。該模型預測了在表面附近的鬆散附着的有限層細菌和生長生物膜之間的隨機轉變。該轉變受兩個關鍵參數的控制：相對於承載能力的集體轉變密度和相對於脫離率的遷移率。生物膜的起始很複雜，但作者的模型表明其可能與隨機成核現象有關。

Model for Quorum-Sensing Mediated Stochastic Biofilm Nucleation

Patrick Sinclair, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 198102 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.198102

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