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器之心報道
機器之心編輯部
如果你正就讀于計算機專業，或者是對計算機科學感興趣，那你對麻省理工學院（MIT）的課程一定不會陌生。這所已有 150 多年歷史的知名學府，近日放出了 2400 門課程資料，其中也包括電氣工程和計算機科學系的多門公開課。
課程鏈接：https://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/
這些課程最早可追溯到 2001 年秋季，一直到 2019 年春季，分為兩個等級：「研究生（Graduate）」和「本科生（Undergraduate）」，供不同階段的學習者自選。很多課程都配了課程音頻/視頻、線上教科書、課堂筆記、作業（也包含答案）、課程表等。
從列表長度也可以感受到內容的豐富：
眾所周知，MIT 的電氣工程和計算機科學畢業生遍布世界各地，在很多研究領域做出了自己的貢獻。他們提高了計算機和網絡通信的穩定和安全性，提升了太陽能電池板的效率，創造了全新算法用于分析金融市場，同時還能設計能像人一樣思考的機器。
MIT 校友們不斷取得突破的原因，或許可以在這些課程中找到。
早在 130 年前，麻省理工學院就開始授予電氣工程學位了，其教學培養計劃一直被所有大學視為典型。MIT 提供了基于數學、計算、物理和生命科學的深度課程，并鼓勵學生通過項目、實習和科研將所學知識多加應用。
MIT 有超過 30% 的本科生就讀于電氣工程與計算機科學系，研究生課程也享譽世界。教職員當中有 40 多位國家工程院院士、10 多位國家科學院院士、數位國家技術獎獲得者以及眾多 IEEE、ACM、APS、AAAI 等專業協會會員。
針對當下特殊時期的遠程教學
如今全球各地的各大學校都開展了線上授課，理論上來說通過流媒體視頻以及 Email 或是線上群聊的應用軟件就基本能滿足部分課程需要。
但是，遇到一些技術為主的課程，則需要更多的輔助工具及配套設施才能將課程效果最大化。以現階段所開放的課程為例，看看 MITOCW 平臺所提供的課程都包含哪幾部分核心內容：
在線輔導工具
以 MIT6.01「Introduction to Electrical Engineering and Computer Science」為例，其中所開發的工具會確保在上課時，學生所練習的代碼會被系統自動糾錯，并指出錯誤在哪，從而確保學生在理解課程內容的情況下，一步步推進課程進度。
Problem Sets 題集
刷課不刷題，等于白刷。每堂課都會有對應的 Problem Sets 作為練習而用，以小編在此平臺刷課的經驗來看，刷題的時間幾乎是課程時間的 1-2 倍左右。相較于其它 Online 教學平臺而言，每堂課都會有一一對應的練習，而每一個練習都會有相應的解題思路。其他部分 Online 教學平臺刷課是免費的，但刷題則需要另行付費。完全免費的 OCW 在這一方面顯然做得可圈可點。
協同文本注釋工具
以 CMS.633「Digital Humanities」為例，MIT 的團隊開發了「Annotation Studio」的協同注釋工具，對線上文本的段落進行突出顯示或評論，使得學生能夠針對內容互相討論、評價，再結合上述 Problem Set 的設置，就會有比較及時的反饋。而其他 Online 教學平臺目前都是用帖子的形式進行互動、內容討論等。
自動檢查工具
以 MIT18.05「Introduction to Probability and Statistics」為例，其授課教授一再強調讓學生意識到知識盲區是在刷題或者做 problem sets 中，而不是在做完之后。所以這堂課為學生提供實時糾錯的工具，當然這項工具只適用于做練習的時候，以便學生實時糾正其知識盲區。
課程評分標注以及日程安排。
OCW 雖然免費開發了 MIT 如此多優質的教學資源，但有一點需要注意，它在全面免費的同時不提供任何證書。
所以從另一個角度來說，在這個平臺上課完全是為了解決自身知識盲區而來，它的各種 quiz、problem sets、project 等一系列輔助配套設施非常完善。線上教學的所有課件、教授所寫的補充材料等都能下載下來以便隨時復習。
如果肯按照其課堂建議的日程安排來學習，長期以往會有不錯的收獲。
873 年，科學家約瑟·美(Joseph May)及偉洛比·史密夫(WilloughbySmith)就發現了硒元素結晶體感光后能產生電流，由此，電子影像發展開始，隨著技術演進，圖像傳感器性能逐步提升。
本期的智能內參，我們推薦西南證券的研究報告《攝像頭芯片，CMOS圖像傳感器行業報告》，從圖像傳感器的發展歷史開始，詳解CMOS技術特點和行業發展現狀。如果想收藏本文的報告（CMOS圖像傳感器），可以在芯潮頭條號回復關鍵詞“nc402”獲取。
20 世紀50 年代——光學倍增管(Photo Multiplier Tube，簡稱PMT)出現。
1965年-1970年，IBM、Fairchild等企業開發光電以及雙極二極管陣列。
1970年，CCD圖像傳感器在Bell實驗室發明，依靠其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音等性能，成為圖像傳感器市場的主導。
90年代末，步入CMOS時代。
▲圖像傳感器的歷史沿革
1、光電倍增管
光電倍增管（簡稱PMT），真空光電管的一種。工作原理是：由光電效應引起 ，在PMT入射窗處撞擊光電陰極的光子產生電子，然后由高壓場加速，并在二次加工過程中在倍增電極鏈中倍增發射。
光電倍增管是一種極其靈敏的光檢測器，可探測電磁波譜紫外，可見和近紅外范圍內光源，提供與光強度成比例的電流輸出，廣泛應用于驗血，醫學成像，電影膠片掃描（電視電影），雷達干擾和高端圖像掃描儀鼓掃描儀中。
▲光電倍增管
2、CCD
CCD全稱為Charge Coupled Device，中文翻譯為”電荷藕合器件”。它使用一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷。因而具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優點。CCD是電子設備， CCD在硅芯片（IC）中進行光信號與電信號之間的轉換，從而實現數字化，并存儲為計算機上的圖像文件。
數字成像始于1969年，由Willard Boyle和George E. Smith于AT＆T貝爾實驗室發明 。 最初致力于內存→“充電’氣泡’設備”，可以被用作移位寄存器和區域成像設備 。
2009年， Willard Boyle和George E. Smith獲得諾貝爾物理學獎 。
1997年，卡西尼國際空間站使用CCD相機（廣角和窄角） 。 美國宇航局局長丹尼爾戈爾丁稱贊CCD相機“更快，更好，更便宜”；聲稱在未來的航天器上減少質量，功率，成本，都需要小型化相機。而電子集成便是小型化的良好途徑，而基于MOS的圖像傳感器便擁有無源像素和有源像素（3T）的配置。
3、CMOS圖像傳感器
CMOS全稱為ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，中文翻譯為互補性氧化金屬半導體。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N(帶–電)和P(帶+電)級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。
CMOS圖像傳感器使得“芯片相機”成為可能，相機小型化趨勢明顯 。
▲“芯片相機”上的帶有有緣像素轉換器的CMOS有效像素傳感器
1995年2月，Photobit公司成立，將CMOS圖像傳感器技術實現商業化 。
1995-2001年間，Photobit 增長到約135人，主要包括：私營企業自籌資金的定制設計合同、SBIR計劃的重要支持（NASA / DoD）、戰略業務合作伙伴的投資，這期間共提交了100多項新專利申請。
CMOS圖像傳感器經商業化后，發展迅猛，應用前景廣闊，逐步取代CCD成為新潮流。
2001年11月 ，Photobit被美光科技公司收購并獲得許可回歸加州理工學院。與此同時，到2001年，已有數十家競爭對手嶄露頭角，例如Toshiba，ST Micro，Omnivision，CMOS圖像傳感器業務部分歸功于早期的努力促進技術成果轉化。后來，索尼和三星分別成為了現在全球市場排名第一，第二。后來，Micron剝離了Aptina，Aptina被ON Semi收購，目前排名第4。CMOS傳感器逐漸成為攝影領域主流，并廣泛應用于多種場合 。
▲CMOS應用領域
▲ CMOS圖像傳感器發展歷程
CMOS圖像傳感器（CIS）是模擬電路和數字電路的集成。主要由四個組件構成：微透鏡、 彩色濾光片（CF）、光電二極管（PD）、像素設計。
▲CIS結構
微透鏡：具有球形表面和網狀透鏡；光通過微透鏡時，CIS的非活性部分負責將光收集起來并將其聚焦到彩色濾光片 。
彩色濾光片（CF）：拆分反射光中的紅、綠、藍（RGB）成分，并通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。
光電二極管（PD）：作為光電轉換器件，捕捉光并轉換成電流；一般采用PIN二極管或PN結器件制成 。
像素設計：通過CIS上裝配的有源像素傳感器(APS)實現。APS常由3至6個晶體管構成，可從大型電容陣列中獲得或緩沖像素，并在像素內部將光電流轉換成電壓，具有較完美的靈敏度水平和的噪聲指標 。
感光元件上的每個方塊代表一個像素塊，上方附著著一層彩色濾光片（CF），CF拆分完反射光中的RGB成分后，通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。經典的Bayer陣列是以2×2共四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer陣列擴大到了4×4，并且以2×2的方式將RGB相鄰排列。
▲Bayer陣列濾鏡與像素
濾鏡上每個小方塊與感光元件的像素塊對應，也就是在每個像素前覆蓋了一個特定的顏色濾鏡。比如紅色濾鏡塊，只允許紅色光線投到感光元件上，那么對應的這個像素塊就只反映紅色光線的信息。隨后還需要后期色彩還原去猜色，最后形成一張完整的彩色照片。感光元件→Bayer濾鏡→色彩還原，這一整套流程，就叫做Bayer陣列。
▲彩色濾鏡塊工作原理
早期的CIS采用的是前面照度技術FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜爾陣列濾鏡與光電二極管（PD）間夾雜著金屬（鋁，銅）區，大量金屬連線的存在對進入傳感器表面的光線存在較大的干擾，阻礙了相當一部分光線進入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。技術改進后，在背面照度技術BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結構下，金屬（鋁，銅）區轉移到光電二極管（PD）的背面，意味著經拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋，光線得以直接進入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復雜、更大規模電路來提升傳感器讀取速度。
▲前面照度技術和背面照度技術
幀率（Frame rate）：以幀為單位的位圖圖像連續出現在顯示器上的頻率，即每秒能顯示多少張圖片。而想要實現高像素CIS的設計，很重要的一點就是Analog電路設計，像素上去了，沒有匹配的高速讀出和處理電路，便無辦法以高幀率輸出出來。
索尼早于2007年chuan’gan發布了首款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下方布有獨立的ADC模數轉換器，這意味著在CIS芯片上即可完成模數轉換，有效減少了噪聲，大大提高了讀取速度，也簡化了PCB設計。
▲Exmor架構
2017年為CMOS圖像傳感器高增長點，同比增長達到20%。2018年，全球CIS市場規模155億美元，預計2019年同比增長10%，達到170億美元。
目前，CIS市場正處于穩定增長期，預計2024年市場逐漸飽和，市場規模達到240億美元。
▲CIS市場規模
1、車載領域
車載領域的CIS應用包括：后視攝像(RVC)，全方位視圖系統(SVS)，攝像機監控系統（CMS），FV/MV，DMS/IMS系統 。
汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長趨勢。 后視攝像(RVC)是銷量主力軍，呈穩定增長趨勢，2016年全球銷量為5100萬臺，2018年為6000萬臺，2019年預計達到6500萬臺。 FV/MV全球銷量增長迅速，2016年為1000萬臺，2018年為3000萬臺，此后，預計FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢，預計2019年銷量可達4000萬臺，2021可達7500萬臺，直逼RVC全球銷量。
▲汽車圖像傳感器全球市場
HDR技術方法 。 HDR解決方案，即高動態范圍成像，是用來實現比普通數位圖像技術更大曝光動態范圍。 時間復用。相同的像素陣列通過使用多個卷簾（交錯HDR）來描繪多個邊框。好處：HDR方案是與傳統傳感器兼容的最簡單的像素技術。缺點：不同時間發生的捕獲導致產生運動偽影 。
空間復用。單個像素陣列幀被分解為多個，通過不同的方法捕獲：1.像素或行級別的獨立曝光控制。優點：單幀中的運動偽影比交錯的運動偽影少。缺點：分辨率損失，且運動偽影仍然存在邊緣。2.每個像素共用同一微透鏡的多個光電二極管。優點：在單個多捕獲幀中沒有運動偽影；缺點：從等效像素區域降低靈敏度。
非常大的全井產能。
閃變抑制技術 。 多個集成周期（時間多路傳輸）。在每個整合期內對光電二極管充電進行多次進行采樣，樣品光電二極管比LED源頻率更高。
多個光電二極管（空間多路復用）。使用較大的光電二極管捕捉較低的輕松的場景；使用較小的不靈敏光電二極管在整個幀時間內集成（減輕LED閃爍）。
每個像素由兩個光電二極管構成。其中包含一個大的靈敏光電二極管和一個小的不靈敏光電二極管，小型不靈敏光電二極管可在整幀中合并，從而減輕LED閃爍。優勢在于有出色的閃變抑制、計算復雜度低；劣勢在于更大更復雜的像素架構、更復雜的讀數和電路定時、大型光電二極管和小型光電二極管和之間的光譜靈敏度不匹配。
▲閃變抑制技術成像效果
陣列攝像機 。 陣列攝像機是一種新興的攝像機技術，是指紅外燈的內核為LED IR Array的高效長壽的紅外夜視設備，可能是可行的LED檢測解決方案。
用于LED檢測的低靈敏度攝像頭可以實現圖像融合的組合輸出，并能夠實現單獨輸出，或同時輸出。主要優勢在于亮度高、體積小、壽命長，效率高，光線勻。
2、手機領域
2000年，夏普首次推出可拍照的手機；隨后智能手機時代到來，主攝像頭素質不斷提升；目前，雙攝/多攝已成為主流 。 前置攝像頭素質同步提升，目前越來越多廠商加入人臉識別功能。
▲攝像模組構成
隨著技術的發展，越來越多的手機開始注重拍照的硬件升級。攝像頭和CMOS成為了產品突出差異性的賣點之一。拋開鏡頭差異，成像質量與CMOS大小成正比，主攝像素提升推動CMOS迭代升級。
隨著技術的發展，手機的CMOS也在日益增大，1/1.7英寸級的CMOS如今成為手機攝像頭傳感器的新選擇。而更多手機也用上了1/2.3英寸級的傳感器。
手機攝像頭過去以像素升級為主；受CMOS尺寸限制，手機攝像開始注重變焦能力 。
變焦有光學變焦與數碼變焦兩種。光學變焦通過光學原理調整焦距，成像畫質無損。數碼變焦就是通過軟件算法來放大/縮小，通過插值計算，成像有損，有較多噪點。
為了進一步提升手機成像素質，注重變焦能力；而傳統專業相機的光學系統無法移植到手機上。手機變焦往往會采用“雙攝變焦”，采用兩個定焦鏡頭，利用其物理焦距的不同，實現變焦效果；顯然，單攝已經無法滿足對光學變焦的需求了。
目前主流的 3D 深度攝像主流有兩種種方案：結構光、TOF。iPhone采用前者，華為采用后置。 結構光（Structured Light）：結構光投射特定的光信息到物體表面后，由攝像頭采集。根據物體造成的光信號的變化來計算物體的位置和深度等信息，進而復原整個三維空間。
結構光（Structured Light）：結構光投射特定的光信息到物體表面后，由攝像頭采集。根據物體造成的光信號的變化來計算物體的位置和深度等信息，進而復原整個三維空間。
根據Yole的統計顯示，平均每部智能手機CMOS圖像傳感器數量在2024年將達到3.4個，年復合增長率達到6.2%。
手機攝像頭數量增加，CIS出貨量成倍增長。為了提高照相畫質，手機引入了雙攝、甚至三攝、四攝。
3、安防領域
閉路電視監控系統發展歷程：錄像帶錄像機（VCR）→數字視頻錄像機（DVR）→網絡視頻錄像機（NVR）。視頻監控系統越來越復雜，性能也不斷升級。
▲閉路電視監控系統發展歷程
紅外線攝像技術 。 紅外線攝像技術分為被動和主動兩種類型 。 被動型：拍攝對象自身發射紅外光被攝像機接受以成像。這類設備昂貴并且對周圍環境不能良好反映，所以在夜視系統中基本不采用 。 被動型：拍攝對象自身發射紅外光被攝像機接受以成像。這類設備昂貴并且對周圍環境不能良好反映，所以在夜視系統中基本不采用 。
主動型紅外攝像機包含攝像機、防護罩、紅外燈、供電散熱單元。它貼切的名稱為紅外線增強攝像機。感光元件的頻譜足夠寬時能對紅外線到可見光的連續譜產生感應，形成包括紅外線在內的光敏感。在普通可見光強下，寬范圍感光元件增加了紅外頻段，在弱光條件下，也能獲得清楚的圖像。
全球紅外攝像機設備市場規模在2017年近30億美元，其中商用攝像機市場規模20億美元，軍用攝像機市場規模10億美元。預計2016-2022年商用領域紅外攝像機市場規模年均復合增長率為5.6%，軍用領域的年均復合增長率為8.8%。2022年市場總規模將近43億美元 。
▲全球視頻監控設備市場規模
全球安防攝像機市場銷量在2015年約28萬件，其中監視攝像機約8萬件，安保系統攝像機約20萬個。預計到2021年安防攝像機市場銷量約64萬件，其中監視攝像機約22萬件，年均復合增長率為18%，安保系統攝像機約42萬個，年均復合增長率約13%。
▲ 全球安防攝像機銷量情況及預測
4、 醫療影像
與其他具有更高產量和更高成本敏感性的市場相比，圖像傳感器在醫療影像市場應用有其鮮明的特點：其封裝步驟通常由設備制造商控制；
圖像傳感器技術正逐漸在行業中創造顛覆性力量，從2014年開始，市場發展迅速，行業競爭加?。喉n國和中國出現更多新參與者，成為現有大型企業的潛在障礙，行業完全整合的可能性降低。
圖像傳感器在醫療影像市場具有多元應用場景：X-ray、內窺鏡、分子成像、光學相干斷層掃描以及超聲成像 。
▲ 醫療影像市場應用
醫療成像設備行業是一個巨大的350億美元的市場，2016-2022年預計復合年增長率達5.5％。
2016年，醫療傳感器市場規模3.5億美元，預計2016-2022年復合增長率8.3％，到2022年將達6億美元 。
根據應用技術不同，醫療圖像傳感器可分為CCD，CIS，a-Si FPD（非晶硅薄膜晶體管平面探測器），a-Se FPD（非晶硒薄膜晶體管平板探測器），SiPM（硅光電倍增管）、cMUT（電容微機械超聲換能器）和pMUT（壓電微機械超聲換能器） 。
CMOS傳感器憑借其在通過更小的像素尺寸獲得更高分辨率、降低噪聲水平和暗電流以及低成本方面的優越性在醫療影像領域得到越來越廣泛的應用，未來市場看漲。
CCD市場保持穩定。醫用a-Si FPD因其簡單性和大面板內置能力仍應用廣泛；SiPM專用于分子成像；cMUT用于超聲成像，可提供更高分辨率，更高速度和實時3D成像。
目前，CMOS圖像傳感器主要應用于X-Ray以及內窺鏡領域。
X-Ray。X射線成像的第一次應用是在醫療領域，由WilhelmR?ntgen于1895年完成。 如今，X射線成像技術應用已拓展到工業無損檢測（NDT）以及安全領域。但醫療市場仍是X-Ray射線成像的主力應用場景。
2018年X射線探測設備市場價值20億美元，預計2018-2024年復合年增長率5.9％，2024年達到28億美元 。
2018年，醫療領域市值達14.8億美元，占比約74%，預計2017-2024年復合增長率4.5%，2024年市值達19億美元 。
目前，X射線成像幾乎完全基于半導體技術。使用非晶硅（aSi）和CMOS的平板探測器占據了市場的最大份額，其次是硅光電二極管陣列探測器。預計銦鎵鋅氧化物（IGZO）平板將于20?? 21年進入市場，直接與aSi和CMOS競爭，但CMOS仍然是主流應用。
2018年，以CMOS X-Ray成像設備市場收入2.45億美元，預計2024年將增長到5.1億美元，年復合增長率13%。
內窺鏡。內窺鏡檢查不但能以最少的傷害，達成觀察人體內部器官的目的，也能切取組織樣本以供切片檢查，或取出體內的異物。二十世紀末微創手術的發展進一步促進了內窺鏡的應用。
普通電子內窺鏡：將微型圖像傳感器在內窺鏡頂部代替光學鏡頭，通過電纜或光纖傳輸圖像信息。電子內窺鏡與光纖內窺鏡類似，有角度調節旋鈕、充氣及沖水孔、鉗道孔、吸引孔和活檢孔等。
CMOS電子內窺鏡：照明光源通過濾色片，變成單色光，單色光通過導光纖維直達電子內窺鏡前部，再通過照明鏡頭照在受檢體的器官粘膜。器官粘膜反射光信號至非球面鏡頭，形成受檢部位的光圖像，CMOS圖像傳感器接收光圖像，將其轉換成電信號，再由信號線傳至視頻處理系統，經過去噪、儲存和再生，顯示在監控屏幕上。CMOS電子內窺鏡可得到高清晰度圖像，無視野黑點弊端，易于獲得病變觀察區信息 。
▲CMOS電子內窺鏡原理圖
CIS模塊的小型化是其應用于醫療設備的關鍵，特別是對于較小的柔性視頻內窺鏡。如喉鏡，支氣管鏡，關節鏡，膀胱鏡，尿道鏡和宮腔鏡。
▲小直徑視頻內窺鏡發展歷程
智東西認為，圖像傳感器是當今應用最普遍、重要性最高的傳感器之一。其主要采用感光單元陣列和輔助控制電路獲取對象景物的亮度和色彩信號，并通過復雜的信號處理和圖像處理技術輸出數字化的圖像信息。而后起之秀CMOS近些年優勢越來越突出，已經占據了大部分圖像傳感器市場，CMOS 圖像傳感器芯片采用了適合大規模生產的標準流程工藝，批量生產時，單位成本非常低。手機是 CMOS 傳感器的最大應用市場，汽車、安防等新應用領域高速成長。 隨著多攝像頭手機的普及以及自動駕駛技術的發展，相信CMOS傳感器的高速發展仍不會停止。
言
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普通物理：統計與量子物理
責編：艾清
通過集成光子學對短時、中間時刻
和長時的量子衰減的實驗研究
不穩定系統的衰減通常是由指數定律來描述。量子力學預言的存活率與指數型有非常大的偏差：事實上，衰減一開始是二次型的，但在長時它遵循冪定律，帶有重疊振動，后者尤其難以理解和觀測的。文中Crespi等人使用由飛秒激光制造的單模光學波導陣列直接注冊，來實現存在耦合并可以衰減到連續體的離散態的量子系統。光學模式符合光子的不同量子態，量子系統的時間演化可以映射到空間傳播坐標。通過往裝配好的光子結構中注入相干光態以及測量有未曾到的動態范圍內光束的小散射部分，他們實驗上不僅僅能夠觀測到指數衰減區，而且可以觀測到二次型Zeno區和長時演化的冪律衰減。（劉寧）
Experimental Investigation of Quantum Decay at Short, Intermediate, and Long Times via Integrated Photonics
A. Crespi, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 130401 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.130401
量子不相容見證
Carmeli等人證明，量子不相容性總是可以通過具有部分中間信息的狀態辨別任務來檢測。作者們表明，只有不相容的測量允許有效使用預測量信息來提高猜測正確狀態的概率，從而完成了證明。因此，猜測概率與測量前和測量后信息之間的差距是給定測量集合的不相容性的見證。本文指出，根據該方案，所有線性不相容性見證都可以作為一些狀態辨別協議來實現。作為一種應用，作者們表征了兩個有噪聲的相互無偏庫的聯合可測量區域。（馬宇翰）
Quantum Incompatibility Witnesses
C. Carmeli, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 130402 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.130402
所有不兼容測量都有助于量子態分辨
一些量子測量不能同時進行，即它們是不相容的。在本文中，Skrzypczyk等人表明，在適當選擇的量子態辨別任務中，每組不兼容測量都會體現出優于兼容測量的優點。通過證明不兼容性的穩健性（量化一組測量在兼容之前容許多少噪聲），作者們證明了這一結論。在最佳選擇的辨別任務中的它的優勢是具有操作性詮釋。作者們還表明，如果從資源理論的角度來看測量不相容性，這種辨別任務中的猜測概率就形成了一整套可用于完全表征資源理論中偏序的單調。最后，本文利用先前已知的測量不相容性與愛因斯坦-波多爾斯基-羅森導引（EPR Steering）間的關系，將后者與量子態辨別聯系起來。（馬宇翰）
All Sets of Incompatible Measurements give an Advantage in Quantum State Discrimination
P. Skrzypczyk, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 130403 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.130403
用圓錐曲線編程量化量子資源
資源理論可用于形式化量子信息處理中資源的量化和操縱，如量子態的糾纏，不對稱和相干，以及量子測量的不相容性。給定某種狀態或測量值，我們可以詢問是否存在一個任務比任何無資源的狀態或測量都要好。使用圓錐編程，Uola等人證明在某些辨別任務中，任何一般的魯棒性度量（關于包含自由狀態或測量的凸集）可以量化這種優異性。作者們將該技術應用于各種示例，例如，聯合可測量性，投影測量模擬的正算子值測量，以及用給定施密特數可制備的狀態組合。（馬宇翰）
Quantifying Quantum Resources with Conic Programming
R. Uola, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 130404 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.130404
對具有準穩定超固體性質的
偶極量子氣體的觀測
[編輯推薦語]發現了一種具有穩定密度調制的冷原子的新型區域，已知為條紋，可以與量子液滴同時地觀測到，這是在尋找偶極超固體中的一個重要進展。
偶極-偶極相互作用和接觸相互作用的競爭會在偶極氣體中導致激發新物理，可以由近來在偶極凝聚體中的量子液滴和旋子的觀測來例證。Tanzi等人展示了旋子不穩定性和量子穩定化的結合會在合適條件下導致一種新型區域，此區域表明由于條紋調制和相位相干的共存而出現超固體性質。他們結合實驗和理論分析，確定了相干條紋形成的參數區域，由于存在三體丟失的條紋圖案被最終破壞，限制了其數十倍毫秒的壽命。他們的結果為長時偶極超固體的發展開啟了有趣的前景。（劉寧）
Observation of a Dipolar Quantum Gas with Metastable Supersolid Properties
L. Tanzi, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 130405 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.130405
輔助功蒸餾
Morris等人研究了輔助功蒸餾的過程。在兩方共享二分量子態且一方被限制為熱操作的前提下啊，當他們的任務是局域地提取最佳功時會出現這種情況。而另一方可以執行一般量子操作并且允許他們以經典方式進行通信。作者們證明這個問題與經典和量子關聯的蒸餾密切相關。特別是，作者們表明，一方在多個的拷貝上進行全局測量的優勢與形成糾纏的不可加性有關。本文還表明，在態的量子相關性中可能存在功，且只能在更廣泛的局域吉布斯保持操作下提取。（馬宇翰）
Assisted Work Distillation
B. Morris, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 130601 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.130601
相互作用粒子的最優隨機沉積
相互作用粒子的不可逆隨機序列沉積被廣泛用于模擬物理，化學和生物物理系統中的聚集現象。Baule表明，在一維情況下，對于有限范圍的任意相互作用勢，都可以找到這一過程的精確的時間依賴解。精確的解決方案使我們能夠嚴格證明沉積動力學的特征，這些特征以前只能通過模擬獲得。Baule還特別指出，存在一種獨特的相互作用勢，其導致對于給定的相互作用范圍的最大密集線覆蓋。值得注意的是，這種勢是奇異的，只能用數學極限來表示。他還討論了這些結果與DNA上核小體包裝模型的相關性。研究結果突出強調了需要高度協調的填料動力學下如何生成最佳密集填料，即使存在固有隨機性，也可以通過相互作用勢有效地調整填料動力學。（成晶晶）
Optimal Random Deposition of Interacting Particles
A. Baule
Phys. Rev. Lett. 122, 130602 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.130602
由一維和二維約束引起的非熱態
James等人表明，在一維(1D)和二維(2D)連續介質理論和晶格理論中，量子伊辛模型中的約束導致非熱本征態。在有序階段，約束縱向場的存在導致激發光譜的深刻重構，其中低能量的雙粒子連續體被離散的“介子”模式（線性約束的疇壁對）取代。這些模式存在于光譜的較深處并且是非典型的，在這種意義上，具有能量E的態的期望值與微正則（熱）系綜預測不一致。因為與（n≥4）-疇壁連續體缺乏雜化，單個介子態持續超過雙介子閾值，這一結果存在于熱力學極限中，可以由分析計算解釋。在異常的淬火動力學中揭示了這種狀態的存在，例如缺少光錐，抑制纏結熵的增長，以及對于一些初始狀態沒有熱化。非熱態局限于有序相—在沒有可積性的情況下，無序相（順磁）在一維和二維上都表現出典型的熱化模式。（成晶晶）
Nonthermal States Arising from Confinement in One and Two Dimensions
A. James, R. Konik, N. Robinson
Phys. Rev. Lett. 122, 130603 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.130603
推遲Floquet格林函數的
譜密度的正定性
周期驅動非平衡多體系統由于它們存在可以由控制外驅動場而調節的準能譜而備受關注。Uhrig等人在Floquet區域導出了推遲格林函數的一般譜表示，因此推廣了平衡態多體物理中著名的Lehmann表示。導出的譜Floquet表示允許我們證明譜密度的非負性以及確定精確地譜求和規則，此規則可以用來基準與精確Floquet多體格林函數近似的精確度。（劉寧）
Positivity of the Spectral Densities of Retarded Floquet Green Functions
G. Uhrig, M. Kalthoff, J. Freericks
Phys. Rev. Lett. 122, 130604 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.130604
闡明馬爾可夫開放量子系統的大偏差統計
Carollo等人分析了馬爾可夫開放量子系統中量子軌跡的動態大偏差問題。他們推導出這些系統的具有2.5大偏差原理的量子能級，它描述了時間平均量子躍遷率和時間平均量子態的聯合漲落。與經典連續時間馬爾可夫鏈的2.5級對應物（它包含一個特例）一樣，這種描述既明確又完整，因為從他們推導的顯式2.5級速率泛函的收縮可以得到任意時間泛函的動態可觀測量的統計數據。他們的方法是使用量子動力學的解釋表示，它允許通過分析純態空間中的經典隨機過程來獲得這些統計。對于量子重置過程，他們證明了解開的動力學是半馬爾可夫型，并且推導出量子躍遷數的漸近方差的界限，這推廣了經典的熱力學不確定性關系。最后，他們討論了我們的2.5級方法如何用于研究狀態非線性函數的大偏差，例如糾纏度的度量。（成晶晶）
Unraveling the Large Deviation Statistics of Markovian Open Quantum Systems
F. Carollo, R. Jack, J. Garrahan
Phys. Rev. Lett. 122, 130605 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.130605
引力與天體物理
導讀：郭敏勇；責編：高思杰
使用2013 LUX數據尋找
亞GeV暗物質的結果
使用基于液體氙的暗物質(DM)搜索儀器難以檢測具有離子核的亞GeV質量的暗物質粒子的散射，因為核反沖期間的能量傳遞小于典型的檢測器閾值。然而，樹級DM核散射圖可以伴隨同時發射軔致輻射光子或所謂的“米德”電子。它們以比相應的核反沖更高的能量提供實驗特征的電子反沖分量。該特征的存在允許液體氙探測器在分析中使用閃爍信號和電離信號，其中核反沖信號只有通過這種方式可以被探測到。利用2013年大型地下氙(LUX)實驗數據，對四種不同類別的介質進行1.4×104 kg天的尋找曝光，作者報告了質量為0.4-5 GeV/c2的DM粒子與自旋無關的DM-核子散射的約束條件. 該分析使得液體氙基DM探測儀器的搜索范圍擴展到比以前更低的DM質量。
Results of a Search for Sub-GeV Dark Matter Using 2013 LUX Data
D. S. Akerib et al.
(LUX Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 122, 131301 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.131301
基本粒子與場論
責編：晁偉、劉曉輝
使用精確時間信息來
增強LHC上的長壽命粒子探測
作者研究了在大型強子對撞機上利用精確時間信息尋找長壽命粒子（LLP）的物理潛力。相比于小質量的標準模型粒子，大質量的長壽命粒子的衰變產物到達探測器的時間延遲約為納秒量級。作者提出了利用這種時間延遲特性的新方法，即利用初始狀態輻射對碰撞事件定義時間點，并要求至少有一個長壽命粒子在探測器內衰變。這種探測方法可以有效的適用于很多物理模型。作為一種廣泛有效的探測辦法，作者選取了以下兩種代表模型來證明它的有效性：希格斯玻色子衰變成一對長壽命粒子，以及在規范誘導的超對稱破缺模型中產生的一對長壽命neutralino粒子。與傳統的探測方法相比，作者的方法對長壽命粒子的敏感度提高了至少兩個數量級，特別是在大壽命的區域內表現出更好的線性依賴行為。時間信息大大減少了來自于標準模型的背景，為長壽命粒子的探測提供了一個強有力的新方向。（由本文作者提供）
Enhancing Long-Lived Particles Searches at the LHC with Precision Timing Information
Jia Liu, Zhen Liu, Lian-Tao Wang
Phys. Rev. Lett. 122, 131801 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.131801
COSINE100對于非彈性
增強暗物質的首次直接尋找
[編輯推薦]使用地面探測器對相對論增強的暗物質首次搜索從而對這些假設存在的粒子做出了的新限制。
本文使用COSINE-100探測器獲得的59.5天的數據搜索非彈性增強暗物質(IBDM)。這種相對論的暗物質被理論化為通過電子的非彈性散射與目標材料相互作用而產生更重的狀態，其隨后產生標準模型粒子，例如電子-正電子對。在這項研究中，作者搜索這個與初始散射的電子一致的電子-正電子對，作為IBDM相互作用的特征。沒有觀察到超過預測的背景事件。因此，作者在各種假設下對IBDM的相互作用給出了限制，其中一個假設允許作者探索尚未被其他實驗涵蓋的暗光子的參數空間。這是使用地面探測器進行IBDM的首次搜索。
First Direct Search for Inelastic Boosted Dark Matter with COSINE-100
C. Ha et al.
(COSINE-100 Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 122, 131802 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.131802
LHC的單τ信號限制B衰變反常的解釋
本文研究了b→cτ--ν衰變與bˉc→τ--ν散射之間的交叉對稱關系以推導B介子半τ衰變中的新物理與LHC單τ信號（pp→τhX+ MET）的直接相關性。使用一組詳盡的有效算符和重傳播子，作者發現當前的ATLAS和CMS數據限制了能夠解釋B衰變反常的情況。由Leptoquark完成的純張量解決方案和由W'R或leptoquark完成的右手解決方案受到此分析的挑戰。此外，LHC的高亮度階段所能實現的靈敏度將可以探測能夠解釋B衰變異常的所有可能情況。最后，作者注意到LHC在研究b→u轉換方面也具有競爭力，并且在某些情況下，其給出的限制優于B衰變所給出的限制。
Mono-τ Signatures at the LHC Constrain Explanations of B-decay Anomalies
Admir Greljo, et al.,
Phys. Rev. Lett. 122, 131803 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.131803
在13TeV的pp對撞中看到
兩個B+c激發態和B+c(2S)質量的測量
[編輯推薦]在迄今為止能量最高的粒子對撞處所記錄的海量數據通過揭露兩個介子激發態解決了一個謎團
CMS實驗在質心能為13TeV的質子-質子對撞中觀察到與Bc+(2s)和Bc*+(2s)態一致的信號，所用的數據來自于LHC在2015-2018年之間收集的對應于147fb-1積分亮度的事件樣本。這些-bc激發態是在 B+cπ+π- 的不變質量譜中被觀察到的，其中基態B+c通過其衰變到J /ψπ+被重建。這兩個態被重建為兩個分辨良好的峰，質量分離為29.1±1.5 (stat)± 0.7(syst) MeV。觀察到兩個峰值而不是一個峰值，其顯著性超過五個標準偏差。B+c(2S)介子的質量被測量為6871.0±1.2(stat)± 0.8(syst) ±0.8(B+c) MeV，其中最后一項對應于平均B+c質量中的不確定性。
Observation of Two Excited B+c States and Measurement ofthe B+c(2S) Mass in pp Collisions at √s=13TeV
A. M. Sirunyan et al.
(CMS Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 122, 132001 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.132001
LHC在固定靶模式中首次測量粲夸克產生
本文首次測量了LHCb實驗在固定靶模式下的重味產生。研究了J /ψ和D0介子的產生，其中不同能量的質子束與氦和氬的氣體靶碰撞，核子-核子質心能分別為86.6和110.4 GeV。質子與He在快度范圍[2, 4.6]的碰撞中, J /ψ和D0的產生截面被發現為σJ/ψ=652±33(stat)±42(syst) nb /nucleon和σD0=80.8±2.4( stat) ±6.3(syst) μb/ nucleon，其中第一個不確定性是統計的、第二個是系統的。在大的Bjorken-x區域中沒有觀察到核子具有明顯的粲夸克含量的證據。
First Measurement of Charm Production in its Fixed-Target Configuration at the LHC
R. Aaij et al.(LHCb Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 122, 132002 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.132002
13TeV的質子-質子對撞中觀察到
單個頂夸克與Z玻色子的協同產生
本文報道了單頂夸克與Z玻色子協同產生(tZq)的觀察結果。作者分析了質心能為13 TeV的質子-質子碰撞事件，其包含三個帶電輕子(電子或μ子)和至少兩個噴注。數據來自于CMS在2016和2017年收集的樣本，并且對應于77.4 fb-1的積分亮度。與之前的tZq搜索相比，增加的積分光度、多變量輕子識別和重新設計的分析策略顯著提高了分析的靈敏度。觀察到的tZq信號具有遠超過5個標準偏差的顯著性。測得的tZq產生截面為σ(pp→tZq→t?+l-q)=111±13(stat)+11-9(syst)fb，對于高于30 GeV的dilepton不變質量，該結果與標準模型預期一致。
Observation of Single Top Quark Production in Associationwith a Z Boson in Proton-Proton Collisions at √s=13TeV
A. M. Sirunyan et al.
(CMS Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 122, 132003 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.132003
原子核物理
責編：耿立升；導讀：王亞坤
利用輕子對的非共面性
探測夸克物質的電磁性質
利用重離子碰撞中的光子-光子散射, Spencer Klein等人研究了輕子對產生中的PT (橫向動量)展寬效應. 他們發現QED (量子電動力學)與介質的多重相互作用效應與最近歐洲核子中心大強子對撞機上ATLAS合作組觀測到的低橫向動量輕子對這一現象一致. 他們進一步討論了磁致展寬效應并且提出了一些區分這兩種機制的方法. 指出PT展開效應的快度依賴為探測磁效應提供了一個獨特的探針.
Acoplanarity of a Lepton Pairto Probe the Electromagnetic Property of Quark Matter
Spencer Klein et al.,
Phys. Rev. Lett. 122, 132301 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.132301
原子、分子與光學
導讀：宋新秀；責編：嚴運安
在極紫外光照射下水團簇中
水合電子形成的實時動力學
極性液體中的自由電子可以通過與分子環境的相互作用形成束縛態。這種在水中的所謂“水合電子態”在細胞生物學或輻射化學中具有非常重要的意義。水合電子是高活性自由基，可以直接與DNA或酶相互作用，或在被質子捕獲后形成高激發氫原子（H*）。在這里，本文利用自由電子激光器的極紫外飛秒脈沖實時研究了水合電子的形成，并以這種方式觀測水合過程的初始過程。借助于時間分辨光電子能譜，作者發現在低皮秒范圍內的形成時間尺度，并解析了形成激發氫原子態的動力學問題。
Real-Time Dynamics of the Formation of Hydrated Electrons upon Irradiation of Water Clusters with Extreme Ultraviolet Light
A. C. La Forge, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 133001（2019）
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.133001
具有532 nm位點分離的1D光學晶格中
量子比特個體的位點特異性和相干操作
We demonstrate gate operations on a single qubit at a specific site without perturbing the coherence of an adjacent qubit in a 1D optical lattice when the site separation is only 532 nm. Three types of spin rotations are performed on the target qubit with fidelities between 0.88±0.05 and 0.99±0.01, whereas the superposition state of the adjacent one is preserved with fidelities between 0.93±0.04 and 0.97±0.04. The qubit is realized by a pair of Zeeman-sensitive ground hyperfine states of a 7Li atom, and each site is identified by its resonance frequency in a magnetic field gradient of 1.6G/cm. We achieve the site-specific resolving power in the frequency domain by using magic polarization for the lattice beam that allows a Fourier-limited transition linewidth as well as by highly stabilizing the lattice parameters and the ambient conditions. We also discuss a two-atom entanglement scheme using a blockade by cold collisional shifts in a 1D superlattice, for which a coherent manipulation of individual qubits is a prerequisite.
Site-Specific and Coherent Manipulation of Individual Qubits in a 1D Optical Lattice with a 532-nm Site Separation
Hyok Sang Han, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 133201 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.133201
測量光子-等離子體耦合相移
Scattering processes have played a crucial role in the development of quantum theory. In the field of optics, scattering phase shifts have been utilized to unveil interesting forms of light-matter interactions. Here we investigate the phase shift experienced by a single photon as it scatters into a surface plasmon polariton and vice versa. This coupling phase shift is of particular relevance for quantum plasmonic experiments. Therefore, we demonstrate that the photon-plasmon interaction at a plasmonic slit can be modeled through a quantum-mechanical tritter, a six-port scattering element. We show that the visibilities of a double-slit and a triple-slit interference patterns are convenient observables to characterize the interaction at a slit and determine the coupling phase. Our accurate and simple model of the interaction, validated by simulations and experiments, has important implications not only for quantum plasmonic interference effects, but is also advantageous to classical applications.
Measurement of the Photon-Plasmon Coupling Phase Shift
Akbar Safari, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 133601 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.133601
腔介導的電子-光子超導性
本文主要研究了二維電子系統中納米等離子體太赫茲腔內的真空擾動介導的電子配對。作者證明結構化的腔真空可以引起電流漲落之間的長程吸引相互作用，如果通用材料的臨界溫度在低開爾文區間且具有實際參數，則這個相互作用會導致材料中的電子配對。誘導態是一種對密度波超導體，它可以從完全間隙相過渡到部分間隙相——類似于高Tc超導體中的贗隙相。這個發現為設計二維材料中的內稟電子相互作用提供了一種很有前景的工具。
Cavity-Mediated Electron-Photon Superconductivity
Frank Schlawin, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 133602 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.133602
利用腔QED通過光子奇偶性
校驗測量進行單光子蒸餾
[編輯推薦]通過使用腔QED的光子奇偶性校驗測量，從弱相干狀態蒸餾出高保真光子態。
具有定制時間特性的單光子是未來量子網絡的重要資源。在這里，本文從可調形狀的激光脈沖中提取出它們，這些激光脈沖從一個強耦合到一個光學諧振器的單個原子中反射出來。隨后對該原子的測量證實了蒸餾的成功。在真空主導的光脈沖中，作者創建了保真度為66(1)%的單光子，雙光子和多光子抑制率為95.5(6)%，和負值為- 0.125(6)的Wigner函數。可應用于最先進的光纖諧振器中，本方案將單光子保真度提高到96%。
Single-Photon Distillation via a Photonic Parity Measurement Using Cavity QED
Severin Daiss, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 133603 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.133603
非線性動力學和流體力學
責編：蘭岳恒
沸騰危機中的滲透無標度行為
Limiao Zhang等人首次報道了在池裝和流動條件下水的沸騰危機中，氣泡足跡分布的無標度行為的實驗觀察。他們提出了一個連續滲流模型，闡明了無標度行為如何從氣泡的近壁隨機相互作用中產生，并提供了預測沸騰危機的標準。它還提出了如何設計表面用以提高臨界熱通量極限的有用見解。（江柯縉）
Percolative Scale-Free Behavior in the Boiling Crisis
Limiao Zhang, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 134501 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.134501
表面納米氣泡的穩定性、
動力學和對不飽和度的耐受性
對表面納米氣泡-即浸入式基板上納米尺度氣相區的理論理解圍繞著兩個相對的觀點展開。一種觀點是考慮納米氣泡附近的氣體輸運，解釋了許多與穩定性相關的特性，但它系統地低估了動態響應時間尺度的數量級。另一種觀點考慮液體與外部環境平衡過程中的氣體輸送，重現了實驗觀察到的動態時間尺度，但它錯誤地預測納米氣泡會逐漸收縮直至溶解。 Beng Hau Tan等人提出了一種結合兩種觀點的模型，它能夠解釋表面納米氣泡的穩定性，動力學和對不飽和環境的意外耐受性。（江柯縉）
Stability, Dynamics, and Tolerance to Undersaturation of Surface Nanobubbles
Beng Hau Tan, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 134502 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.134502
等離子體與束物理
責編：陳少永，牟茂淋
磁流體動力學湍流中
動能和磁能的解耦級聯
理想不可壓縮磁流體動力學中的磁能（ME）和動能（KE）并非全局不變量，因此，因此討論它們的總能量級聯是合理的。X. Bian等人基于不同尺度的局域性提出ME和KE在過渡“轉換”范圍之外在統計上是解耦的，并對此給出了相應的物理論證和強有力的證據。這是因為磁力線拉伸是一個大尺度的過程，其平均在慣性感應范圍內的中間和小尺度上將消失，從而允許每個平均ME和KE以相同的速率級聯，同時在這些尺度上產生一個單位的湍流磁普朗特數。（王科力）
Decoupled Cascades of Kinetic and Magnetic Energy in Magnetohydrodynamic Turbulence
Xin Bian, Hussein Aluie
Phys. Rev. Lett. 122, 135101 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.135101
利用剪切流穩定Z箍縮
可實現持續的中子產生
剪切流穩定的Z箍縮已被證明具有聚變相關參數的長壽命等離子體。Y. Zhang等人首次通過實驗證實，在壓力作用下20%氘/80%氫混合物聚變Z箍縮實驗中有持續且準穩態的中子產生。在大約16微秒的等離子體靜止期間，箍縮電流約為200kA時，可重復觀察到持續約5微秒的中子輻射。據估算，平均中子產額為 (1.25±0.45)×105中子/脈沖，且正比于氘濃度的平方。通過完全集成診斷測量的等離子體溫度為1-2 keV、密度約為1017cm?3、箍縮半徑為0.3 cm，結果與中子信號一致。（秦晨）
Sustained Neutron Production from a Sheared-Flow Stabilized Z Pinch
Y. Zhang, et al
Phys. Rev. Lett. 122, 135001 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.135001
凝聚態物理：結構
責編：殷志平
核磁共振譜
作為氫在高壓下的動力學結構探測
[編輯推薦]：NMR（核磁共振）明確地解出了觀察到的氫的高壓相的結構，該工作避免了通過實驗來決定高壓氫結構的難題。
由于標準結構探針在極端壓力下失效，因此不存在用于觀察到的高壓氫II-VI相的明確的晶體結構解決方案。在這項工作中，作者提出核磁共振譜為高壓氫提供了互補的結構探針。他們的結果表明，可用于高壓氫II、III和IV相的最佳結構模型的核磁共振譜表現出明顯的不同，因此，可通過核磁共振譜來區分它們。作為一個例子，他們展示了如何使用核磁共振譜來確定相III是否表現出多態性。他們的計算還揭示了由量子漲落引起的氫的核磁共振響應表現出較強的重整化以及同位素效應。隨著實驗技術的發展，核磁共振譜有望成為高壓實驗中有用的、互補的結構探針。（毛慧燦）
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy as a Dynamical Structural Probe of Hydrogen under High Pressure
Bartomeu Monserrat et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 135501 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.135501
鐵電體中的鐵電Fracture-Ratchet效應
裂紋傳播的前端會產生很大的應變梯度，因此它是一個梯度誘導極化（鐵電性）的強源。Edwards等人證明了在壓電材料中鐵電性會導致裂紋傳播受壓電極化軸方向的影響，傳播方向平行或反平行壓電極化軸會促進或抑制裂紋傳播。裂紋傳播不對稱性的發現證明了在極化材料中斷裂物理學不能使用對稱假設，此外這項發現還表明鐵電性應該被納入所有的實際模型中。（劉瑞）
Flexoelectric Fracture-Ratchet Effect in Ferroelectrics
K. C. Edwards, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 135502 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.135502
三體摩擦的簡單規律
理解摩擦的一個關鍵難點在于許多物理機制的同時起作用。文中作者在一個模型實驗系統中研究了三體摩擦動力學，這個模型系統消除了單體相互作用、磨損和斷裂，并聚焦于滑塊和第三體之間的彈性相互作用。作者同時可視化了粒子的運動和測量了全局的剪切力。通過系統地增加外來粒子的數量，作者發現摩擦耗散僅僅取決于表面粗糙度與松散顆粒的尺寸比，而與粒子的大小和表面粗糙度無關。當粒子的大小與表面特征相當時，摩擦力隨著粒子數的增加而線性增大。當粒子小于表面特征尺度時，摩擦力增長與粒子數量成次線性關系。作者的研究結果表明，將表面特征的大小與潛在污染物的大小相匹配可能是可靠潤滑的良好策略。(曹錦)
Simple Law for Third-Body Friction
Fei Deng, et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 135503 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.135503
離子配對與能斯特-愛因斯坦方程的關聯
[編輯推薦語]：計算電池中濃縮電解質離子導電率的一種可靠且計算成本低廉的方法是模擬離子團簇。
基于能斯特-愛因斯坦方程，作者提出了一種適用于動態原子尺度模擬的離子導電率的新近似。在作者的近似中，離子聚集體構成了基本電荷載流子，并且被認為是非相互作用的物質。該方法以聚類的形式，方便地捕獲了離子-離子關聯對導電性、短程相互作用的主要影響。這種新方法除了以比精確方法更低的計算成本提供更好的電導率估算之外，還使作者能夠了解驅動濃電解質中離子傳導的物理機制。作為一個例子，作者考慮了標準的固態聚合物電解質聚（環氧乙烷）中的Li+導電。作者利用最新開發的方法，在高鹽濃度下能夠重現負離子遷移數的最新實驗結果，并確認這種效應可能是由大量帶負電荷的陽離子簇引起的。（麻曉波）
Correlations from Ion Pairing and the Nernst-Einstein Equation
A. France-Lanord and J. Grossman
Phys. Rev. Lett. 122, 136001 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.136001
凝聚態物理：電子性質
責編：袁喆，馬鋒杰，沈卡
用一維聲子晶體探測三維外爾物理
外爾(Weyl)半金屬是一種三維固體材料，具有許多獨特的特性，如手性異常和拓撲費米弧表面態等。近期，人們已經將外爾物理研究推廣到三維聲子晶體中。本文利用簡單的一維聲子晶體外加兩個額外的結構參數，構造、合成了虛擬的三維空間，探索外爾材料中的物理現象?；诰_的超聲實驗，作者不僅觀察到了合成空間的外爾點，還驗證了與外爾點拓撲穩定性相關的反射相位奇異性，進而檢測了體系的拓撲非平庸界面模式。拓撲聲學在合成空間中的首次實現，揭示了利用易于實現和檢測的低維聲學系統去探測高維拓撲現象的可能性。（劉錢）
Probing Weyl Physics with One-Dimensional Sonic Crystals
X. Fan et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 136802 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.136802
逐層電阻開關: 由于電場誘導死層
復原而產生的多態功能
Materials exhibiting reversible resistive switching in electrical fields are highly demanded for functional elements in oxide electronics. In particular, multilevel switching effects allow for advanced applications like neuromorphic circuits. Here, we report a structurally driven switching mechanism involving the so-called “dead” layers of perovskite manganite surfaces. Forming a tunnel barrier whose thickness can be changed in monolayer steps by electrical fields, the switching effect exhibits well-defined and robust resistive states. Layer-by-Layer Resistive Switching: Multistate Functionality due to Electric-Field-InducedHealing of Dead Layers
J. Krisponeit et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 136801 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.136801
YbMgGaO4中由低能自旋激發
證實的非關聯價鍵重排
Li等人發現，YbMgGaO4低至40 mK的直流磁化測量數據與常規凍結相抵觸，認為其仍是三角自旋液體候選物。平行和垂直于c軸測量的磁化率分別在低于0.1和0.2K時達到恒定值，表明存在無能隙的低能自旋激發。他們通過三軸非彈性中子散射實驗中闡明了它們的本質，明確了連續激發的低能（E≤J0~0.2meV）部分在低溫（T <J0 /kB）下存在，但在系統升溫至T?J0 / kB以上后完全消失。不同于E> J0的高能部分的根源在于最近鄰價鍵的斷裂且能持續到遠高于J0/ kB的溫度，低能量部分源自價鍵的重排，因而來自于不成對自旋的傳播。他們進一步將這一繪景擴展到herbertsmithite，即kagome晶格上的自旋液體候選者，并認為這種磁激發層次可能是量子自旋液體的普遍特征。（方子明）
Rearrangement of Uncorrelated Valence Bonds Evidenced by Low-Energy Spin Excitations in YbMgGaO4
Yuesheng Li et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 137201 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.137201
通過無邊緣Corbino結構實現
石墨烯中的高品質磁輸運
Zeng等人制備了Corbino結構的石墨烯器件，這種由內外同心圓電極構成的結構沒有物理邊緣。作者使用氮化硼封裝和雙石墨柵極結構實現了高遷移率。在量子霍爾效應區域，塊體電導的測量要優于之前報道的霍爾橋測量，對整數和分數量子霍爾效應態均具有更好的分辨能力。作者在最低和第一激發朗道能級中的分數序列中辨別出了明顯的相變，并在更高朗道能級中發現了與電子固體相吻合的特征。（李松）
High-Quality Magnetotransport in Graphene Using the Edge-Free Corbino Geometry
Y. Zeng et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 137701 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.137701
軟物質與交叉科學
導讀：張鑫潔 責編：嚴鋼
無波狀層結構的偏振
調制的彎曲芯型液晶薄膜
以前關于硝基取代的彎芯介晶(n-OPIMB-NO2)的冷凍蝕刻透射電鏡(FFTEM)研究發現了波動周期為～8nm的波狀近晶層結構。本文對～100nm厚的8-OPIMB-NO2薄膜進行了低溫透射電鏡(cryo-TEM)測量，與FFTEM結果相比，研究顯示只存在周期為b=16.2nm的密度調制，沒有近晶層波動。該結果表明，FFTEM與低溫透射電鏡測量之間的差異可歸因于實驗中所使用的樣品厚度不同。FFTEM觀測相對較厚(5–10μm)的冷凍樣品的裂紋表面，而cryo-TEM則觀察從其部分液相淬火的薄膜(0.1μm)的體積。這些結果再次表明空間限制會影響軟物質的分子組織，對于使用亞微米薄膜的潛在光電和有機電子應用具有重要意義。
Polarization-Modulated Bent-Core Liquid Crystal Thin Films without Layer Undulation
Cuiyu Zhang et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 137801 (2019)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.137801
利用地球潮汐和地震噪聲
探測巖石的原位彈性非線性
[編輯推薦語]地震測量揭示了月球引力和太陽熱對巖石性質的影響。
巖石、混凝土和顆粒材料等非均質材料具有很強的彈性非線性。該彈性非線性對施加的應力和孔隙壓力高度敏感，因此原則上可通過地震波來對應力或孔隙壓力的變化進行遠程觀測。然而，由于現場無法進行主動變形實驗，巖石的非線性難以在原位量化。Sens-Sch?nfelder等人研究了完全自然實驗中的彈性非線性，利用單個地震臺的環境地震噪聲感知地震波速（哪怕小至0.026%）的變化，這個變化是由太陽和月球施加的潮汐力引起的微小變形導致的。
Probing the in situ Elastic Nonlinearity of Rocks with Earth Tides and Seismic Noise
Christoph Sens-Sch?nfelder et al.
Phys. Rev. Lett. 122, 138501 (2019)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.138501
[文字編輯：謝曉芝]
來源：京師物理
編輯：Shiny
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