PRL导读-2023年130卷10期

非局域关联是量子理论的核心特征，理解量子理论为何具有有限的非局域性是一个基本问题。由于非局域性也有技术应用，例如，对于设备无关的密码学，将其理解为一种资源是有用的，特别是不同类型的非局域性是否以及如何相互转换。在这里，作者关注非局域性蒸馏，这涉及使用多个非局域资源副本来生成具有更多非局域性的资源。作者介绍了几种蒸馏方案，这些方案提取了包括量子关联在内的非局域关联集合的扩展部分。作者的方案基于一套自然的操作程序，即布线，无论基础理论如何，都可以应用。一些是重复使用双副本协议的顺序算法，而另一些是真正的三副本蒸馏协议。在某些区域，作者证明真正的三副本协议严格优于两副本协议。通过应用作者的新协议，作者还增加了已知非局域相关性会导致微不足道的通信复杂性的区域。这使作者更接近于对可以从信息论原理中恢复的非局域关联集合的理解，这反过来又增强了作者对量子理论特殊之处的理解。

（刘承葛）

Advantages of Multicopy Nonlocality Distillation and Its Application to Minimizing Communication Complexity

G. Eftaxias, M. Weilenmann, and R. Colbeck

Phys. Rev. Lett. 130, 100201 (2023)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.100201

当前对引力介导的纠缠的实验室检测的兴趣是由一个信息论论点引发的：由局域场介导的纠缠证明了该场不是经典的。先前的效应推导将重力模拟为瞬时；在这里，作者使用路径积分形式从线性化的量子广义相对论导出它，同时保持洛伦兹不变性。在这个框架中，纠缠显然是由场的量子特性介导的。作者还指出了观察 “ 延迟 ” 纠缠的可能性，这不能用瞬时相互作用来解释。这对于重力来说是一个困难的实验，但对于类似的电磁情况来说是合理的。

（刘承葛）

Locally Mediated Entanglement in Linearized Quantum Gravity

M. Christodoulou, A. Di Biagio, et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 100202(2023)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.100202

非厄米哈密顿量的谱函数可以揭示在拓扑上非平凡的线隙以及相关的拓扑边模式的存在。然而，在非厄米多体系统中计算谱函数仍然是一个开放的挑战性课题。在本文，作者提出了一种基于核多项式方法和矩阵乘积态形式的计算非厄米多体哈密顿量谱函数的数值方法。作者表明，用作者提出的算法来计算的局部谱函数揭示了非厄米自旋模型中的拓扑自旋激发，并忠实地反映了多体模型中的非平凡线隙拓扑。作者进一步证明了该算法在存在非厄米趋肤效应的情况下有效。作者的方法提供了一种有效计算具有张量网络的非厄米多体系统中的局部谱函数的有效方法，从而可以在非厄米量子多体模型中描述线隙拓扑。

（刘承葛）

Topological Spin Excitations in Non-Hermitian Spin Chains with a Generalized Kernel Polynomial Algorithm

G. Chen, F. Song, and J. L. Lado

Phys. Rev. Lett. 130, 100401 (2023)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.100401

基于一系列最小的对称性假设，作者提出了两种动力学量子相变的理论，称为 DPT-I 和 DPTII 。在具有无限范围相互作用的集体系统的特殊情况下，两者都由激发态量子相变触发。对于低于临界能量的淬灭，额外的守恒电荷的存在，识别了相应的相位，以及允许表征 DPTs-I 的动力学序参量的非零值，并排除了导致 DPTs-II 特征返回概率非解析性的主要机制。作者提出了一个统计系综，描述了 DPTs-I 中序参量的长时间平均值，并为 DPTs-II 的主要机制与该额外保守电荷的存在的不相容性提供了理论证明。本文的结果在完全连接的横场 Ising 模型中得到了数值说明，该模型显示了两种动力学相变。最后，作者讨论了作者的理论对具有有限范围相互作用的系统的适用性，其中缺少激发态量子相变的唯象理论。最后，作者讨论了他们提出的理论对于有限范围相互作用的系统的适用性，其中缺少激发态量子相变的唯象理论。作者通过实验相关初始状态的数值计算来说明作者的发现。

（刘承葛）

Theory of Dynamical Phase Transitions in Quantum Systems with Symmetry-Breaking Eigenstates

Á. L. Corps and A. Relaño

Phys. Rev. Lett. 130, 100402 (2023)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.100402

在量子计算中，估计不相容可观测量的期望值是一项重要且实际的任务，尤其体现在化学和其它多体量子系统的能量估计中。在这篇快报中，针对这一目的，作者介绍了一种基于单个联合测量的方法，这种方法可以在本地实现，其边际产生非对易的 Pauli 可观测量目标集的有噪声（非锐化）版本。作者推导了在一定精度下估算能量所需的实验重复次数的界限。作者将该策略与经典影子形式进行了比较，结果表明该策略与局部有偏的经典影子协议具有相同的性能。通过表明经典影子可以用于构建联合测量，反之亦然，作者还强调了这两种方法之间的一般联系。最后，作者调整了联合测量的策略，以在假设测量的实施是有噪声时，使样本复杂性最小化。与已知的经典影子对噪声情景的概括相比，这种方法可以显著地提高效率。

（张皓玥）

Estimating Quantum Hamiltonians via Joint Measurements of Noisy Noncommuting Observables

D. McNulty, F. B. Maciejewski, and M. Oszmaniec

Phys. Rev. Lett. 130, 100801 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.100801

该研究获得了广义相对论中非自旋双星散射的总冲量，即后闵可夫斯基四阶项 O(G ⁴ ) ，包括线性、非线性和遗传性辐射反应效应。作者推导出总辐射时空动量以及相关的能量通量。后者可用于计算通用（非）束缚轨道的引力波可观测值。方法上，作者采用了（“ in-in ”） Schwinger-Keldysh 世界线有效场论框架，并结合了来自对撞机物理的现代“多回路”集成技术。完整的结果与后闵可夫斯基和后牛顿展开中的各种部分计算一致。

Radiation Reaction and Gravitational Waves at Fourth Post-Minkowskian Order

Christoph Dlapa, Gregor Kälin and et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 101401 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.101401

作者考虑圈量子宇宙学中的量子 Oppenheimer-Snyder 模型，推导了一个新的量子黑洞模型，其度量张量为适当变形的 Schwarzschild 张量。量子效应意味着坍缩尘埃球产生的黑洞质量存在下限。对于确实形成事件视界的较大质量的情况，研究了时空的最大扩展及其属性。通过讨论与量子 Oppenheimer-Snyder 模型相反的场景，获得了一个量子瑞士奶酪模型，其中气泡被量子宇宙包围。这个模型类似于黑洞宇宙学或肥沃宇宙，在后者中宇宙大爆炸与白洞相关。该模型为宇宙现象学打开了一个新窗口。

Quantum Oppenheimer-Snyder and Swiss Cheese Models

Jerzy Lewandowski, Yongge Ma and et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 101402 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.101402

对由大质量粒子的空间非局域叠加量子态产生的引力场的研究是一个有趣且活跃的研究领域。一个悬而未决的问题是，引力场的行为是否类似于两个粒子的引力场的经典叠加，在经典情况下这两个粒子相隔一定的空间距离，且质量减半。或者，引力场是否表现为量子叠加，其行为比简单的经典叠加更有趣、更微妙？ 量子场论非常适合探索这类问题。作者研究了无质量标量在有质量粒子的空间非局域量子叠加上的散射，并计算了对应于单引力子交换的微分散射截面。该研究发现散射截面与牛顿 - 薛定谔的潜在散射图不一致，这两个局部源在每个源处有一半的质量。这表明引力散射的实验观察可以告知引力场的半经典处理的可行性，应当利用牛顿 - 薛定谔的描述，还是采用完全量子力学的处理。作者还讨论了在具有许多粒子（例如玻色 - 爱因斯坦凝聚体）的系统中观察此类效应的实验可行性。

What Is the Gravitational Field of a Mass in a Spatially Nonlocal Quantum Superposition?

Rémi Ligez, R. B. MacKenzie and et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 101502 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.101502

Dark matter elastic scattering off nuclei can result in the excitation and ionization of the recoiling atom through the so-called Migdal effect. The energy deposition from the ionization electron adds to the energy deposited by the recoiling nuclear system and allows for the detection of interactions of sub-GeV/c ² mass dark matter. We present new constraints for sub-GeV/c ² dark matter using the dual-phase liquid argon time projection chamber of the DarkSide-50 experiment with an exposure of (12306 ± 184) kg d. The analysis is based on the ionization signal alone and significantly enhances the sensitivity of DarkSide-50, enabling sensitivity to dark matter with masses down to 40 MeV/c ² . Furthermore, it sets the most stringent upper limit on the spin independent dark matter nucleon cross section for masses below 3.6 GeV/c ² .

Search for Dark-Matter–Nucleon Interactions via Migdal Effect with DarkSide-50

P. Agnes, I. F. M. Albuquerque and et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 101001 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.101001

We present a search for dark matter particles with sub-GeV/c ² masses whose interactions have final state electrons using the DarkSide-50 experiment’s ð12 306 184Þ kg d low-radioactivity liquid argon exposure. By analyzing the ionization signals, we exclude new parameter space for the dark matter-electron cross section ¯σ _e , the axioelectric coupling constant g _Ae , and the dark photon kinetic mixing parameter κ. We also set the first dark matter direct-detection constraints on the mixing angle |U _e4 | ² for keV/c ² sterile neutrinos.

Search for Dark Matter Particle Interactions with Electron Final States with DarkSide-50

P. Agnes, I. F. M. Albuquerque and et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 101002 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.101002

某些费曼积分与 Calabi-Yau 几何相关。我们演示了如何使用微分方程的方法计算这些积分。四圈等质量香蕉积分是几何形态为非平凡 Calabi-Yau 流形的最简单费曼积分。我们证明了它的微分方程可以转化为 ε 因式分解形式。这使我们能够获得关于维度正则化参数 ε 任意阶的解。该方法可以推广到其他 Calabi-Yau 费曼积分。我们的计算还表明，四圈香蕉积分仅比相应的两圈或三圈费曼积分复杂一点。

Taming Calabi-Yau Feynman Integrals: The Four-Loop Equal-Mass Banana Integral

Sebastian Pögel, Xing Wang, and Stefan Weinzierl

Phys. Rev. Lett. 130, 101601 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.101601

本文探讨了 Dyson-Schwinger (DS) 方程作为量子场论计算工具的有效性。 DS 方程是一组连通格林函数 G _n 严格满足的无限耦合方程。这些方程将较低的格林函数与较高的格林函数联系起来，如果它们被截断，那么所得到的有限方程组是不定的。解决不定系统的最简单方法是将所有较高的格林函数设为零，然后去解由前几个格林函数组成的确定系统。所得到的 G ₁ 或 G ₂ 可以与可解模型中的精确结果进行比较，以考察高阶截断的精度是否有所提高。作者研究了五个 D = 0 的模型： Hermitian ϕ ⁴ 和 ϕ ⁶ 以及非 Hermitian i ϕ ³ ， − ϕ ⁴ 和 i ϕ ⁵ 理论。截断的 DS 方程给出了一系列逼近值，它们缓慢收敛到一个极限值，但这个极限值总是与精确值相差几个百分点。基于平均场近似的更复杂的截断方案并不能解决这个计算问题。

Underdetermined Dyson-Schwinger Equations

Carl M. Bender, Christos Karapoulitidis, and S.   P. Klevansky

Phys. Rev. Lett. 130, 101602 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.101602

We analyze a large set of modular invariant models of lepton masses and mixing angles, pointing out that many of them prefer to live close to the self-dual point τ = i . We show that in the vicinity of this point a universal behavior naturally emerges, independent from details of the theory, such as the finite modular group acting on the lepton multiplets, the weights of the matter multiplets and even the form of the kinetic terms, which are not required to be minimal nor flavor blind. The neutrino mass spectrum is normally ordered and universal relations describe the scaling of the physical observables in terms of the parameter | τ − i |.

Universal Predictions of Modular Invariant Flavor Models near the Self-Dual Point

Ferruccio Feruglio

Phys. Rev. Lett. 130, 101801 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.101801

Rimantas Lazauskas 等人建立了描述从原子核 ⁸ He 中快速移除 α 粒子并最终发射四个中子的反应模型。利用该模型得到的四中子能量分布能够解释 Duer 等人 [Nature (London) 606, 678 (2022)] 通过研究四中子丢失质量谱所观测到的、由双中子 - 双中子关联所导致的尖锐的低能峰。他们认为，四中子能量分布中出现尖锐低能峰的现象可能更为普遍，并有望在包含四中子晕的其他系统的衰变中观测到。

Low Energy Structures in Nuclear Reactions with 4 n in the Final State

Rimantas Lazauskas et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 102501 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.102501

作者提出了光学腔中 N 个分子非线性光谱学的微观理论。利用海森堡 - 朗之万方程，导出了考虑任意数量振动激励的时间和频率分辨信号的解析表达式。作者从信号的多维投影 ( 例如路径和时间尺度 ) 中识别出极化激元 - 极化子相互作用的明确特征。揭示了腔极激元对分子内振动的协同动力学，以及可能导致局域化效应的长程相干和电子耦合之间的串扰。作者的结果进一步描述了极性相干和较慢的种群转移。

Multidimensional Coherent Spectroscopy of Molecular Polaritons: Langevin Approach

Zhedong Zhang, et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 103001 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.103001

作者研究了归因于离子捕获的寄生射频磁场对基于 ²²⁹ Th ³⁺   的备受期待的核时钟的影响 [C.   J. Campbell  et al .,  Phys. Rev. Lett. 108, 120802 (2012) ] 。射频磁场引起时钟频率的交流塞曼位移。正如作者所演示的，这种频移可能会成为时钟的主要系统频移，超过其他系统频移和时钟的预计系统不确定性几个数量级。作者提出了切实可行的方法来抑制或消除这种频移。

Trap-Induced ac Zeeman Shift of the Thorium-229 Nuclear Clock Frequency

K. Beloy

Phys. Rev. Lett. 130, 103201(2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.103201

We show that the simplest of existing molecules—closed-shell diatomics not interacting with one another—host topological charges when driven by periodic far-off-resonant laser pulses. A periodically kicked molecular rotor can be mapped onto a “crystalline” lattice in angular momentum space. This allows us to define quasimomenta and the band structure in the Floquet representation, by analogy with the Bloch waves of solid-state physics. Applying laser pulses spaced by 1/3 of the molecular rotational period creates a lattice with three atoms per unit cell with staggered hopping. Within the synthetic dimension of the laser strength, we discover Dirac cones with topological charges. These Dirac cones, topologically protected by reflection and time-reversal symmetry, are reminiscent of (although not equivalent to) that seen in graphene. They—and the corresponding edge states—are broadly tunable by adjusting the laser strength and can be observed in present-day experiments by measuring molecular alignment and populations of rotational levels. This paves the way to study controllable topological physics in gas-phase experiments with small molecules as well as to classify dynamical molecular states by their topological invariants.

Topological Charges of Periodically Kicked Molecules

Volker Karle, et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 103202 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.103202

作者展示了一种在平面纳米光子电路的近场中耦合冷原子的有效光波导技术，并在具有单原子协同性 C ≳ 8 的微环谐振器中实现了与回音壁模式的大原子 - 光子耦合。引导势是由纳米光子波导上的衍射光产生的，该波导平滑地连接到远场中的偶极阱，以亚波长精度引导原子。作者观察了耦合到微环的光的原子诱导透明度，表征了原子 - 光子耦合速率，提取了引导原子通量，并演示了单原子在芯片上的光子路由。作者的演示有望在手性量子光学和量子技术的纳米光子电路上实现冷原子的新应用。

Coupling Single Atoms to a Nanophotonic Whispering-Gallery-Mode Resonator via Optical Guiding

Xinchao Zhou, et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 103601(2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.103601

在厄米系统中，束缚态必须具有量子化的能量，而自由态可以形成连续体。通过分析具有虚动量和朗道型矢量势的非厄米连续哈密顿量，作者证明了这个原理对于非厄米系统是如何失效的。作者称之为 “ 连续朗道模 ” 的本征态具有高斯空间包络，并形成一个填充复杂能量平面的连续体。作者提出了可实验实现的承载连续朗道模的一维和二维晶格模型，其本征态是局域化的，并且具有与连续模型匹配的其他特征。其中一个晶格可以作为一个彩虹陷阱，从而对激励的响应集中在与频率成正比的位置。另一种晶格可以充当波漏斗，将输入激励集中到宽频带的边界上。与最近基于非厄米趋肤效应的漏斗方案不同，这需要一个具有互反耦合的简单晶格设计。

Continuum of Bound States in a Non-Hermitian Model

Qiang Wang, et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 103602 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.103602

Frequent observations to a quantum system modify its coherent evolution through the Zeno effect and Zeno dynamics. Generally, the measurement process destroys the evolution environment of the monitored system, making repeated observations remain a challenge. Here, using the quantum analogy experiments, we realize and engineer the Zeno effect and Zeno dynamics in optical waveguide arrays, where the optical modes correspond to distinct quantum states, and the temporal evolution is mapped into the spatial propagation. We propose a new, extensible experimental strategy for realizing an optical analog of stroboscopic measurements, which are performed by the build-in, on-demand segmented waveguide portions. The weak-to-strong stroboscopic measurements are realized, where the monitored system undergoes a transition from free evolution to optical Zeno freezing. Setting the measurements in the strong regime, the optical Zeno effect and optical Zeno dynamics are successfully generated, and their relationship is demonstrated in optics. We then propose a novel quantum Zeno slicing approach, which allows us to dynamically engineer the Hilbert space of the monitored system. This generic approach is verified by generating a series of Zeno subspaces with different measurement projectors, based on the quantum-optical analogy. The complexity of light dynamics is largely increased, providing full control of the propagation via steering Zeno dynamics. Our results pave the way for manipulation of quantum states by harnessing Zeno dynamics in integrated photonics.

Engineering of Zeno Dynamics in Integrated Photonics

Quancheng Liu, et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 103801(2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.103801

基于能量守恒理论， Golovanov 等人提出了强非线性等离子体尾场（尾场的气泡或爆发区）的自洽理论。这种尾场是由强激光或粒子束在等离子体中激发的，其特征是等离子体电子从驱动器的传播轴中排出。因此，在驱动器后方形成了一个没有电子的球形空腔（称为“气泡”），并被一个由排出电子组成的薄鞘层包围。与之前的理论模型 [W. Lu, et al ， Phys. Rev. Lett. 96 , 165002 (2006) ] 相比，该理论满足能量守恒定律，不需要任何外部拟合参数，且在较宽的参数范围内以更高的精度描述了气泡结构及其包含的电磁场，并通过三维 PIC 模拟验证了所得结果。

（陈鹏）

Energy-Conserving Theory of the Blowout Regime of Plasma Wakefield

A. Golovanov, et al .

Phys. Rev. Lett. 130, 105001 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.105001

从激光驱动的尾场中产生低发射率电子束对于紧凑型 X 射线源的发展至关重要。 M. W. von der Leyen 等人通过实验和模拟给出了准单能电子束在低振幅尾场中注入和加速的新结果。其实现方法是：利用两个激光脉冲通过电离注入将尾场的产生与电子捕获解耦。影响束电荷和能散的注入持续时间可以通过调整相对脉冲延迟来调节。通过改变注入脉冲的极化，减小电离体积，改善了加速电子束的电子能谱。

（刘泰齐）

Observation of Monoenergetic Electrons from Two-Pulse Ionization Injection in Quasilinear Laser Wakefields

M. W. von der Leyen, et al .

Phys. Rev. Lett. 130, 105002 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.105002

考虑高能少数粒子与一种孤立的临界不稳定模式共振，通过第一性原理可推导出包含 Fokker-Planck 动力学摩擦（阻力）和俯仰角散射的准线性等离子体输运理论。 V. N. Duarte 等人发现阻力从根本上改变了波粒共振的结构，破坏了其对称性并导致共振线的移动和分裂。相反，散射以对称方式扩大了共振。与完全非线性模拟的比较表明，所提出的准线性系统保留了完全非线性理论的精确不稳定性饱和振幅和相应的粒子重新分布。即使在阻力导致相对较小的共振偏移的情况下，它仍然支持共振粒子重新分布的重大变化。这种阻力的新影响在等离子体和引力系统中同样重要。在聚变等离子体中，对于低纵横比或负三角形变的托卡马克中快离子驱动的不稳定性，这种影响尤为明显，这一点在过去的观测中得到了证明。同样的理论直接映射到旋转星系棒及其轨道上的大质量天体的共振动力学，为分析银河动力学提供了新的技术。

（刘泰齐）

Shifting and Splitting of Resonance Lines due to Dynamical Friction in Plasmas

V. N. Duarte, et al .

Phys. Rev. Lett. 130, 105101 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.105101

在磁约束聚变等离子体中，能量为 ~100keV 的氦灰 α 粒子可能具有与加热等离子体的高能氘束流注入粒子相同的拉莫尔半径和回旋频率。虽然氦灰的速度空间分布单调递减，但高能氘离子的分布在边缘等离子体中则是一个 delta 函数。 R.   O. Dendy 等研究者通过第一性原理 PIC 模拟计算，确定了一个新的物理过程。通过这个过程，拉莫尔半径匹配使这两个同处一地的少数高能离子群之间产生了集体回旋共振能量转移，嵌入到多数热等离子体中。这种新发现的非线性现象与广泛观察到的超热少数离子群的离子回旋辐射具有相似的物理学原理。

（樊浩）

Mechanism for Collective Energy Transfer from Neutral Beam-Injected Ions to Fusion-Born Alpha Particles on Cyclotron Timescales in a Plasma

R. O. Dendy, B. Chapman-Oplopoiou, B. C. G. Reman, and J. W. S. Cook

Phys. Rev. Lett. 130, 105102 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.105102

用于检测马约拉纳束缚态 (MBS) 的隧道光谱数据经常因其容易误解具有低 Andreev 束缚态的真实 MBS 的倾向而受到批评。在这里， Ziesen 等人建议通过将单次测量扩展到在不同系统参数下执行的序列来消除这种模糊性。他们论证了这种采样（他们认为对于目前的实验平台只需要适度的努力）如何解决 Andreev 旁瓣的统计数据，从而为马约拉纳中心峰的存在与否提供了令人信服的证据。

（董静萍）

Statistical Majorana Bound State Spectroscopy

Alexander Ziesen et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106001 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106001

Unlike bulk counterparts, two-dimensional (2D) superconductors are sensitive to disorder. Here, we investigated superconductivity of Pb atomic layers formed on vicinal substrates to reveal how surface steps with an interval shorter than the coherence length ξ affect it. Electrical transport showed reduced critical temperature and enhanced critical magnetic field. Scanning tunneling microscopy exhibited vortices elongated along the steps, that is, Abrikosov-Josephson vortices squeezed normal to the steps due to the reduced ξ. These results demonstrate that steps work as disorder and vicinal substrates provide a unique platform to manipulate the degree of disorder on 2D superconductors.

Squeezed Abrikosov-Josephson Vortex in Atomic-Layer Pb Superconductors Formed on Vicinal Si(111) Substrates

Yudai Sato et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106002 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106002

电磁场的正交压缩在光学和微波领域得到了广泛的研究。然而，之前的工作主要集中在低阻抗（ Z ₀ ≈50Ω ）环境下产生压缩态。 Bartolomei 等人在这里报导了量子霍尔导体中玻色子边缘磁等离子体模的压缩，其特征阻抗由电阻量子（ R _K ≈25 kΩ ）设置，为增强与低维量子导体的耦合提供了可能性。通过将直流和交流驱动组合应用于量子点接触，他们验证了压缩，并且观察到比真空波动降低 18% 的噪声。这种压缩水平可以通过使用更复杂的导体来提高，比如交流驱动量子点或介观电容器。

（董静萍）

Observation of Edge Magnetoplasmon Squeezing in a Quantum Hall Conductor

H. Bartolomei et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106201 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106201

Understanding the molecular and electronic structure of solvated ions at surfaces requires an analysis of the interactions between the surface, the ions, and the solvent environment on equal footing. Here, we tackle this challenge by exploring the initial stages of Cs ⁺ hydration on a Cu(111) surface by combining experiment and theory. Remarkably, we observe “inside-out” solvation of Cs ⁺ ions, i.e., their preferential location at the perimeter of the water clusters on the metal surface. In addition, water-Cs complexes containing multiple Cs ⁺ ions are observed to form at these surfaces. Established models based on maximum ion-water coordination and conventional solvation models cannot account for this situation, and the complex interplay of microscopic interactions is the key to a fundamental understanding.

Hydration at Highly Crowded Interfaces

Christopher Penschke et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106202 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106202

Zhang 等人提出并研究了一个移位电荷密度波 (CDW) 的二维相位，它是由一组弱耦合的一维 CDW 导线构成的，其相位从一根导线移到近邻的另一根导线。他们表明全间隙体 CDW 具有拓扑性质，其特征为非零 Chern 数，这意味着体间隙内存在边缘模。值得注意的是，这些边缘模表现出沿边缘位置的谱伪流函数，因此与具有动量空间谱流的 Chern 绝缘体的手性边缘模是对偶的。此外，他们还表明了 CDW 边缘模对线间耦合是稳定的。他们关于准一位 CDW 化合物如 Ta ₂ Se ₈ I 的预测可以通过实验验证。

（董静萍）

Emergent Edge Modes in Shifted Quasi-One-Dimensional Charge Density Waves

Song-Bo Zhang et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106203 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106203

[ 编辑推荐 ] 在钨尖上的单个 C ₆₀ 分子的分子轨道可以用来塑造电子的激发图像。

富勒烯的单分子电子源通过恒定电场驱动，大小约为 1 纳米，产生特殊的发射模式，如交叉或双叶模式。通过用飞秒光脉冲照射电子源， Yanagisawa 等人发现从单个分子中出现了大量调制的发射模式。他们的模拟揭示了 70 多年来一直是一个棘手问题的发射模式，它代表了单分子的分子轨道。此外，观测到的调制源于单分子分子轨道的变化，几乎可以实现电子源的亚纳米光学调制。

（董静萍）

Light-Induced Subnanometric Modulation of a Single-Molecule Electron Source

Hirofumi Yanagisawa et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106204 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106204

连续体中的束缚态 (BICs) 是反直觉的局域态，其本征值嵌入在扩展态的连续体中。近年来，非平庸能带拓扑使 BIC 物理日趋丰富，从而产生了对扰动或无序具有非凡鲁棒性的拓扑 BICs (TBICs) 。在这里， Liu 等人提出了一种简单却通用的镜像堆叠方法，将任何拓扑单层模型的非平庸束缚态转化为 TBICs 。物理上，镜像堆叠双分子层哈密顿量可以解耦为两个独立的相反镜像宇称子空间，每个子空间直接继承原单层的能谱信息和能带拓扑性。通过调整层间耦合，一个子空间的拓扑束缚态可以在不发生杂化的情况下连续进出另一个子空间的连续体。作为代表性的例子，他们构造了一维一阶和二维高阶 TBICs ，并通过声学实验对其进行了明确的验证。他们的发现将拓展了拓扑材料和 BICs 的研究意义。

（董静萍）

Universal Mirror-Stacking Approach for Constructing Topological Bound States in the Continuum

Luohong Liu et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106301 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106301

[ 编辑推荐 ] 一种近似得到系统基态的经典策略现在已经扩展到适用于系统的激发态。

密度泛函理论 (DFT) 通过基于高密度和低密度极限的范式物理模型取代棘手的从头计算，极大地扩展了我们以可承受的方式计算和理解电子基态的能力。但是，激发态的类似处理却滞后了。在这里， Gould 等人通过将密度泛函理论推广到系综态 (EDFT) 来解决这个突出的问题。他们研究了全电子系统在强 ( 低密度 ) 和弱 ( 高密度 ) 关联情况下所有电子系统的重要范例。他们表明，高密度极限与最近可精确求解的 EDFT 结果相关联。低密度极限揭示了一个不被注意且最意想不到的结果 —— 严格关联基态的密度泛函可以直接用于激发态。对激发结构的非平庸依赖仅在第三阶表现出来。总的来说，他们的结果为在精确的低高密度极限之间进行插值的激发态有效模型提供了基础，并通过 H ₂ 和量子阱环中的单态 — 单态激发进行了阐述说明。

（董静萍）

Electronic Excited States in Extreme Limits via Ensemble Density Functionals

Tim Gould et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106401 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106401

[ 编辑推荐 ] 一维 Mott 绝缘体中光掺杂亚稳态波函数的精确表达式的推导表明，这些体系在活性自由度之间存在许多关联性，如自旋、电荷和 η 自旋分离。

Murakami 等人展示了用扩展 Hubbard 模型描述的一维光掺杂 Mott 绝缘体中，有效冷亚稳态表现出自旋、电荷和 η 自旋分离。在大在位库仑相互作用极限下，它们的波函数可以表示为 |Ψ> = |Ψ _charge > |Ψ _spin > |Ψ _{η −spin} > ，这类似于在平衡中掺杂哈伯德模型的 Ogata-Shiba 态。此处， η 自旋表示光产生的赝粒子类型 (doublon 和 holon) 。 |Ψ _charge > 由无自旋自由费米子确定， |Ψ _spin > 由压缩自旋空间中的各向同性海森堡模型确定， |Ψ _{η −spin} > 由压缩 η 自旋空间中的 XXZ 模型确定。特别地，亚稳 η 对和电荷密度波 (CDW) 态对应于 XXZ 模型中的无隙态和有隙态。波函数的具体形式使得能够准确地确定关联函数的指数。该形式还表明， η 对态的中心电荷为 3 ， CDW 相的中心电荷为 2 ，这也得到他们数值上的验证。他们的研究为光掺杂强关联系统中活性自由度之间的关联性研究提供了分析和直观的见解。

（董静萍）

Spin, Charge, and η-Spin Separation in One-Dimensional Photodoped Mott Insulators

Yuta Murakami et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106501 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106501

Xia 等人提出了一个基于斯格明子的通用量子计算机。斯格明子在阻挫磁体中具有螺旋自由度，其中磁偶极子 - 偶极子的相互作用使得双重简并的布洛赫型斯格明子在能量上更有利。他们基于此构建了一个量子比特。当一个斯格明子的大小达到纳米量级时，它就必须成为量子力学物体。结果表明，在磁性双层体系中，基于纳米级斯格明子的通用量子计算是可能的。通过控制电场和自旋电流，可以实现单量子比特量子门。利用 Ising 型交换耦合可以实现双量子比特门。此机制的优点是不需要外加磁场。他们的研究结果可能为基于纳米尺度拓扑自旋纹理的通用量子计算开辟一条可能的道路。

（董静萍）

Universal Quantum Computation Based on Nanoscale Skyrmion Helicity Qubits in Frustrated Magnets

Jing Xia et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106701 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106701

We combine spin-polarized scanning tunneling microscopy with quantum master equation analysis to investigate the spin dynamics of the single atom magnet Dy on graphene/Ir(111). By performing reading and writing experiments, we show that the strongly spin polarized 5 d 6 s valence shells, as well as their intra-atomic exchange coupling to the 4 f shell, determine the pathways for magnetization relaxation and thus the spin dynamics. The good quantum number that determines which states are stable and which mechanisms for reversal exist in a given crystal field is the atomic total angular momentum J _z ^tot and not the commonly considered J _z ^{4 f} of the 4 f shell only.

Valence Orbitals Driving the Spin Dynamics in a Rare-Earth Single-Atom Magnet

A. Curcella et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106702 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106702

斯格明子从基础和技术的角度来看都很有趣，因为它们有充当信息载体的潜力。但存在一个涉及到它们的操纵的挑战，特别是在高温下，热扰动最终会使它们解体。在这里， Rosales 等人研究了斯格明子和手性自旋液体之间的竞争，使用后者作为熵缓冲用来施加斯格明子的准真空。因此，温度就变成了一个旋钮，可以将斯格米子的密度从致密液体调整为稀释气体，保护每个斯格米子的完整性免受顺磁解体的影响。有了这个额外的旋钮，他们在高场中发现了一个由零维和一维拓扑缺陷（分别对应斯格明子和 bimerons ）构成的拓扑自旋玻璃。

（董静萍）

Skyrmion Fluid and Bimeron Glass Protected by a Chiral Spin Liquid on a Kagome Lattice

H. Diego Rosales et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106703 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106703

Lead halide perovskites enjoy a number of remarkable optoelectronic properties. To explain their origin, it is necessary to study how electromagnetic fields interact with these systems. We address this problem here by studying two classical quantities: Faraday rotation and the complex refractive index in a paradigmatic perovskite CH ₃ NH ₃ PbBr ₃ in a broad wavelength range. We find that the minimal coupling of electromagnetic fields to the k · p Hamiltonian is insufficient to describe the observed data even on the qualitative level. To amend this, we demonstrate that there exists a relevant atomic-level coupling between electromagnetic fields and the spin degree of freedom. This spin-electric coupling allows for quantitative description of a number of previous as well as present experimental data. In particular, we use it here to show that the Faraday effect in lead halide perovskites is dominated by the Zeeman splitting of the energy levels and has a substantial beyond-Becquerel contribution. Finally, we present general symmetry-based phenomenological arguments that in the low-energy limit our effective model includes all basis coupling terms to the electromagnetic field in the linear order.

Spin-Electric Coupling in Lead Halide Perovskites

Artem G. Volosniev et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106901 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106901

Many-body entanglement in condensed matter systems can be diagnosed from equilibrium response functions through the use of entanglement witnesses and operator-specific quantum bounds. Here, we investigate the applicability of this approach for detecting entangled states in quantum systems driven out of equilibrium. We use a multipartite entanglement witness, the quantum Fisher information, to study the dynamics of a paradigmatic fermion chain undergoing a time-dependent change of the Coulomb interaction. Our results show that the quantum Fisher information is able to witness distinct signatures of multipartite entanglement both near and far from equilibrium that are robust against decoherence. We discuss implications of these findings for probing entanglement in light-driven quantum materials with time-resolved optical and x-ray scattering methods.

Witnessing Nonequilibrium Entanglement Dynamics in a Strongly Correlated Fermionic Chain

Denitsa R. Baykusheva et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106902 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106902

Nanophononics has the potential for information transfer, in an analogous manner to its photonic and electronic counterparts. The adoption of phononic systems has been limited, due to difficulties associated with the generation, manipulation, and detection of phonons, especially at GHz frequencies. Existing techniques often require piezoelectric materials with an external radiofrequency excitation that are not readily integrated into existing CMOS infrastructures, while nonpiezoelectric demonstrations have been inefficient. In this Letter, we explore the optomechanical generation of coherent phonons in a suspended 2D silicon phononic crystal cavity with a guided mode around 6.8 GHz. By incorporating an air-slot into this cavity, we turn the phononic waveguide into an optomechanical platform that exploits localized photonic modes resulting from inherent fabrication imperfections for the transduction of mechanics. Such a platform exhibits very fine control of phonons using light, and is capable of coherent self-sustained phonon generation around 6.8 GHz, operating at room temperature. The ability to generate high frequency coherent mechanical vibrations within such a simple 2D CMOS-compatible system could be a first step towards the development of sources in phononic circuitry and the coherent manipulation of other solid-state properties.

Optomechanical Generation of Coherent GHz Vibrations in a Phononic Waveguide

Guilhem Madiot et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106903 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106903

Ta ₂ NiSe ₅ is an excitonic insulator candidate showing the semiconductor or semimetal-to-insulator (SI) transition below T _c = 326 K. However, since a structural transition accompanies the SI transition, deciphering the role of electronic and lattice degrees of freedom in driving the SI transition has remained controversial. Here, we investigate the photoexcited nonequilibrium state in Ta ₂ NiSe ₅ using pump-probe Raman and photoluminescence spectroscopies. The combined nonequilibrium spectroscopic measure- ments of the lattice and electronic states reveal the presence of a photoexcited metastable state where the insulating gap is suppressed, but the low-temperature structural distortion is preserved. We conclude that electron correlations play a vital role in the SI transition of Ta ₂ NiSe ₅ .

Disentangling Lattice and Electronic Instabilities in the Excitonic Insulator Candidate Ta ₂ NiSe ₅ by Nonequilibrium Spectroscopy

Kota Katsumi et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106904 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106904

We investigate the impact of a bosonic degree of freedom on Yu-Shiba-Rusinov states emerging from a magnetic impurity in a conventional superconductor. Starting from the Anderson impurity model, we predict that an additional p-wave conduction band channel opens up if a bosonic mode is coupled to the tunneling between impurity and host, which implies an additional pair of odd-parity Yu-Shiba-Rusinov states. The bosonic mode can be a vibrational mode or the electromagnetic field in a cavity. The exchange couplings in the two channels depend sensitively on the state of the bosonic mode (ground state, few quanta, or classically driven Floquet state), which opens possibilities for phononics or photonics control of such systems, with a rich variety of ground and excited states.

Control of Yu-Shiba-Rusinov States through a Bosonic Mode

Helene Müller et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 106905 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.106905

控制热力学循环以最大限度减少散热是热力学研究的一个长期目标，也是近期纳米级系统随机热力学面临的核心挑战。 Chennakesavalu 等人提出了一个用于优化非平衡控制策略的理论和计算框架，能够以最小耗散方式在两个分布之间转换系统。这些策略通过概率分布空间的路径，使有限时间变换的耗散成本最小化。作者证明了通过线性响应方法确定的热力学度量可以直接从最优输运的相同目标函数中导出，从而为热力学几何提供了统一视角。此外，作者还在两个模型系统中研究了这个统一的几何框架，发现该优化控制策略的过程在线性响应之外仍具有一定鲁棒性。

Unified, Geometric Framework for Nonequilibrium Protocol Optimization

Shriram Chennakesavalu et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 107101 (2023)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.107101

Kuramoto 模型作为相振子网络的典型代表，已被广泛用于实际系统集体动力学的建模。在具有排斥耦合的情况下， Kuramoto 网络表现出非凡的集体动力学模式，包括 chimera 态和群集延展态（ cluster splay states ）。然而，目前尚不清楚特定的模式在什么条件下才会出现并占据主导地位。 Munyayev 等人研究了耦合中具有高阶傅立叶模式的排斥型 Kuramoto-Sakaguchi 网络，结果显示：由两个不同的相干群集和一个孤立振子组成的三群集延展态普遍存在于奇数振子网络，并且在具有一阶耦合的弱排斥网络中主导系统相空间。在斥力的相位滞后参数的整个范围内，高阶耦合的加入会导致三群集延展态的全局稳定性。这种效应在具有自适应耦合的 Theta 神经元网络中也稳健存在。

Cyclops States in Repulsive Kuramoto Networks: The Role of Higher-Order Coupling

Vyacheslav O. Munyayev et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 107201 (2023)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.107201

很多关于 Kuramoto 模型及其变体的研究忽略了个体自身的振幅变化，从而限制了模型的适用性。 Zou 等人提出了一个由全局耦合的高维广义极限环振子组成的新模型，该模型明确包含了各个个体的相位和振幅动力学，且在弱耦合极限下可简化为 D 维 Kuramoto 相模型。对于 D = 3 的实际情况，模型的非相干性被严格证明对负耦合（ K < 0 ）是稳定的，而对正耦合（ K > 0 ）是不稳定的；如果 K > 0 ，锁定状态被证明是存在的；特别是，从理论上预测了振幅终止的发生。对于 D ≥ 2 的情况，锁定状态和振幅终止的离散谱和连续谱均遵循两个通用公式。本文提出的 D 维模型不再受固定振幅的约束，为 D 维极限环振子网络提供了更为普适的框架。

Solvable Dynamics of Coupled High-Dimensional Generalized Limit-Cycle Oscillators

Wei Zou et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 107202 (2023)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.107202

Clark 等人通过计算模拟研究了受谐振边界作用的剪切颗粒介质的摩擦特性。这种振动被认为在减弱流动方面起着重要作用，但振幅、频率和压力等因素如何独立影响这一过程尚不清楚。通过尺寸分析和离散元模拟（DEM一种计算机模拟），他们发现，除了先前提出的导致接触断裂的峰值加速度标准外，弱化还需要位移绝对振幅平方相对于限制压力足够大。该分析为预测受任意外部振动影响的更复杂的稳态流提供了基础，同时还揭示了第二个未被识别的过程，该过程依赖于耗散并在很大程度上促进了振动下的剪切减弱。

 (张一鸣)

Frictional Weakening of Vibrated Granular Flows

A. H. Clark, et al.

Phys. Rev. Lett. 130, 118201 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.118201

高能质子等粒子辐射对 DNA 电子激发响应的分子级理解仍然是推进质子和其他离子束癌症治疗的基本科学瓶颈。特别是，不同类型的 DNA 损伤对高能质子的依赖性体现出了一个重大的知识空白。本文中， Shepard 等人采用第一性原理实时含时密度泛函理论模拟，并使用大规模并行超级计算机，揭示了高能质子向水中 DNA 能量转移的量子力学细节。计算表明，质子在 DNA 磷酸糖侧链上沉积的能量比在核碱基上沉积的要多得多，预计 DNA 侧链比水更容易发生能量转移。由于这种电子阻滞过程， DNA 侧链上产生了作为氧化损伤来源的高能空穴。

(吴雨轩)

Electronic Excitation Response of DNA to High-Energy Proton Radiation in Water

Christopher Shepard, et al.

Phys. Rev. Lett. 129, 140401 (2022)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.118401