Digging into the 3D Quantum Hall Effect | 探究3D量子霍尔效应

理论物理学家用电子-声子相互作用来解释最近对电子系统中3D量子霍尔效应的观察发现。

1980年2月，克劳斯·冯·克里琴（Klaus von Klitzing）进行了一项发现，揭开了物理学史上最激动人心的篇章之一。他制备了一种半导体器件，其中包含的电子被限制在单层中。这种所谓的二维电子气体已经为物理学家所熟知。但是，当冯·克里琴（von Klitzing）将其置于极低的温度和极高的磁场中时，他发现一种内秉的电子特性，即霍尔电阻，以量子化的形式、仅为整数倍的h/e^2出现[1]。这些值的极高精确度以及它们对样品杂质的不敏感性，最终导致了量子霍尔电阻被用来根据基本常数重新定义单位（kg/千克以此被重新定义）。但可能鲜为人知的是，物理学家一直在追求量子霍尔效应（QHE）的3D版本已有30年了。实验在2019年取得了成功[2]。现在，理论家们正在用一种涉及波状电子密度的模型来解释这些结果。他们的模型可以帮助扩展3D QHE领域[3]。

1. K. von Klitzing et al., “New method for high-accuracy determination of the fine-structure constant based on quantized Hall resistance,” Phys. Rev, Lett. 45, 494 (1980).

2. F. Tang et al., “Three-dimensional quantum Hall effect and metal–insulator transition in ZrTe5,” Nature 569, 537 (2019).

3. F. Qin et al., “Theory for the charge-density-wave mechanism of 3D quantum Hall effect,” Phys. Rev. Lett. 125, 206601 (2020).

https://physics.aps.org/articles/v13/170

A Phase Diagram for Wrapping | 包裹的相图

研究人员发现了决定细胞膜何时将塑料粒包裹起来的条件，从而洞悉生物如何与病毒、微塑料和其他物体相互作用。

当细胞饥饿时，它会将附近的食物颗粒包裹在其外膜的一部分上，从而形成一个包含食物的小袋。细胞以相同的方式吸收液体和摄入病毒，因此了解进行包裹过程所需的条件非常重要。现在，苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH）的Eric Dufresne和他的同事已经通过实验绘制出了塑料珠和模型膜的这些条件[1]。研究结果可以帮助研究人员了解微塑料何时会进入细胞。

1. H. T. Spanke et al., “Wrapping of microparticles by floppy lipid vesicles,” Phys. Rev. Lett. 125, 198102 (2020).

https://physics.aps.org/articles/v13/s143

Vetting Neutral Nitrogen Vacancies | 审视中性氮空腔

新实验确定了电中性氮空腔的激发能级，这是量子信息应用所需的信息。

氮空腔是钻石晶体中的小缺陷，可以在量子信息和传感技术中发挥许多功能。负电的空腔（带有一个额外电子的中心）已被证明是最有用的，但是缺陷也处于未被研究的中性状态。现在，来自荷兰代尔夫特理工大学的西蒙·拜尔（Simon Baier）和他的同事进行了一系列的光谱实验，揭示了中性空腔的激发态，这些信息可以提高氮空腔的适用性[1]。

1. S. Baier et al., “Orbital and spin dynamics of single neutrally-charged nitrogen-vacancy centers in diamond,” Phys. Rev. Lett. 125, 193601 (2020).

https://physics.aps.org/articles/v13/s142

A Lone Attosecond Electron Pulse | 单独的阿秒（1×10−18）电子脉冲

研究人员产生了分离的高能电子脉冲，这些电子脉冲有望实现超快的电子成像。

产生阿秒光脉冲的能力彻底改变了超快过程的研究，例如揭示了原子中电子的运动。阿秒电子脉冲可能与光学上的对应者一样具有革命性，但到目前为止，科学家只能产生数百个脉冲长的脉冲串。现在，慕尼黑路德维希·马克西米利安大学的森本之弥（Yuya Morimoto）和德国康斯坦茨大学的彼得·鲍姆（Peter Baum）找到了一种分离的单个阿秒级电子脉冲的方法[1]。通过提供电子显微镜的空间分辨率，此控件有望实现超快成像。森本和鲍姆说，他们的技术还可以应用于基于芯片的粒子加速器和量子信息处理技术。

1. Y. Morimoto and P. Baum, “Single-cycle optical control of beam electrons,” Phys. Rev. Lett. 125, 193202 (2020).

https://physics.aps.org/articles/v13/s140

A Tune for Lowering Lattice Friction | 降低晶格摩擦的音调

将声源放在样品上，可以消除样品在固体表面移动时，由于原子缺陷引起的能量耗散。

当晶体材料发生非弹性变形时，晶格中的原子失去一些最近的相邻原子并获得新的相邻原子。那些不匹配的原子或原子缺陷会扩散到整个晶格中，以释放内能或减轻外部负载的应力。随着原子缺陷在晶格周期性的能级结构中上升和下降，它们会通过辐射热量损失能量。当这种材料用于减震时，这种耗散或摩擦是有益的。但是自热会导致材料损坏。来自ESPCI Paris的Nikolai Gorbushin及其同事现在解释了声波是如何从外部引入材料中，从而可以完全抑制由移动的晶体缺陷引起的摩擦[1]。

1. N. Gorbushin et al., “Frictionless motion of lattice defects,” Phys. Rev. Lett. 125, 195502 (2020).

https://physics.aps.org/articles/v13/s139

安利时间

Baby Quantum (入门级量子力学 连载中)