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2020-11-25 中国科学报
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  71个格点的玻色-哈伯德量子模拟器中规范不变量的观测

  在粒子物理学的标准模型中,基本粒子的现代描述是建立在规范场理论之上的。规范场理论通过局部对称性约束实现物理的基本定律。用经典计算机求解规范场理论是一项极其艰巨的任务,它促使人们在微观工程量子器件中模拟规范场理论动力学。

  先前研究成果在没有定义局部对称性的情况下实现了密度依赖的佩尔斯相位,实现了在有效模型上的映射,以整合物质场或电场,或仅限于非常小的体系。然而,最基本的规范场对称性还未被实验观察到。

  研究组报道了一个扩展的U(1)晶格规范场理论的量子模拟,并通过实验量化了由物质场和规范场组成的多体系统的规范不变性。这些场是在71个格点的光学超晶格中的无缺陷玻色子原子阵列中实现的。

  研究组展示了模型参数的完全可调性,并通过扫描量子相变来作为物质场—规范场相互作用的基准。利用高保真操作技术,研究组通过在相关原子位点中观测局部规范不变量来测量高斯定律的违背程度。

  研究组提供了一种利用可控的大尺度量子模拟器,来探索基本粒子相互作用中的规范场对称性的方法。

  相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2910-8

  化学与偏压在电催化析氧中的关键作用

  析氧反应在许多替代能源方案中扮演着重要角色,因为它提供将可再生电力转化为化学燃料所需的质子和电子。电催化剂通过促进电子转移以及化学键的形成和断裂来加速反应。这种涉及本质不同的过程导致复杂的电化学动力学,可能很难理解和控制,通常指数级依赖过电位。

  当应用的偏压驱动反应符合现象学的布特勒—伏尔默理论时,这种行为就会出现,该理论侧重于电子转移,使塔菲尔分析能够在准平衡或稳态假设下获得机械论见解。

  然而,偏压下催化剂表面的电荷也会影响键的形成和断裂,其对电催化速率的影响无法用现象学塔菲尔分析来解释,通常是未知的。

  研究组报道了氧化铱的脉冲伏安法和原位X射线吸收光谱的测量结果,表明施加的偏压并不直接作用于反应坐标,而是通过催化剂中电荷的积累来影响电催化产生的电流。

  研究组发现随着氧化电荷的储存量增多,活化自由能呈线性下降,表明这种关系是电催化性能的基础,可通过测量和计算来评估。研究组期望这些发现和方法将有助于更好地理解其他电催化材料,并设计性能更好的系统。

  相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2908-2

  城市增长方程

  城市科学寻求理解和解释在世界主要城市系统中观察到的规律。对城市人口演变进行建模是该科学和所有城市研究的核心。从数量上说,最根本的问题是了解城市人口的分层组织和特大城市的统计数据。

  最初人们认为该规律是一个被称为齐普夫定律的普遍原理;但最近的实证研究对该模型的有效性提出了质疑。一个理论模型必须能够解释相对频繁的城市和文明的兴衰,虽然进行了诸多尝试,但这些基本问题尚未得到令人满意的答案。

  研究组引入了一个用于建模城市人口增长的随机方程,根据对最新数据集(针对加拿大、法国、英国和美国)的实证分析而构建。该模型揭示了罕见但大规模的城际迁移冲击是如何主导城市增长的。

  该方程预测了城市人口分布的复杂形状,并表明由于有限时间效应,齐普夫定律通常不成立,这也意味着城市的组织更加复杂。与观察结果一致,它还预测了城市分层结构中存在的多重时间变化。

  研究结果强调了罕见事件在复杂系统的演进中,以及在城市规划中(更实际的层面)的重要性。

  相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2900-x

打印 责任编辑:张芳丹
  • 科学家解开蓝环星云之谜

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