美国物理学会在线刊物《物理》评选的2017年度亮点，中国科学家榜上有名！（2）

今天接着介绍2017物理年度亮点。其中关于胶子自旋的结果也是现在美国的中国科学家杨一玻贡献的。

量子因果性

在经典世界中，关联的事物由共同的原因引起是可以通过统计工具进行验证的。然而，类似的推论在量子物理学中却未必成立。例如，两个纠缠的光子本质上存在强关联，但是所谓的Bell检测实验排除了一个共同的原因（或“隐变量”）。 为了处理这些量子特性，英国和加拿大的研究人员重新定义了量子世界的因果关系。他们的量子因果模型建立在幺正性基础上，即在系统演化过程中，量子信息不变。他们新公式通过将不同系统中量子变量的概率分布关联起来，可以确定量子系统A是否是两个相关的量子系统B和C的共同原因。这种量子因果关系模型有助于预测量子加密系统中信息被窃取时的效应。

图：贝尔不等式检验实验排除了量子的关联由隐变量确定

无处不在的Wifi雷达

慕尼黑工业大学的研究人员实现了利用Wifi路由器的微波辐射来生成周围环境的图像。这种成像并不容易，因为路由器朝各个方向发射辐射，这将形成多个反射图像。该团队使用他们过去解码全息图（将三维图像编码到二维）类似的方法，通过处理Wifi辐射数据解决了这个问题。他们在路由器和探测器之间放置了一个大约一米长的十字，并在用探测器扫描了6平方米的区域，验证了可以重建十字图像。该团队还模拟了小型建筑物内部的成像，表明该技术可用于在仓库中定位物体。 由于辐射可以穿过墙壁，Wifi成像可能最终被用于执法目的。

图：慕尼黑工大研究者使用一个商业无线路由器实现的十字成像。图片来源于：P. Holl and F. Reinhard, Phys Rev. Lett. (2017)

铜氧化合物超导体的传统理论解释

铜氧化合物超导体是最高临界温度的记录保持者，但是它们的几乎不能用传统理论解释。 一般认为，超导电性的标准理论（Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理论）不能充分描述铜氧化合物超导体，因为它预测的某些特征在这些材料中没有被观察到。瑞士和德国的一组研究人员使用扫描隧道显微镜在铜氧化合物中发现了BCS超导电性的特征：含有非超导电子的超导电流涡旋。尽管该结果还没有澄清铜氧化合物的超导机制，但他们认为基于BCS的描述可能是解决凝聚态物理这个巨大难题的关键。

图：铜氧化物超导体的晶体结构图。之前通常认为传统的BCS理论无法解释这些高温超导体。

胶子提供了质子自旋的一半

胶子将核子中的夸克结合在一起，它们同时提供了质子总自旋中相当大的一部分。这是肯塔基大学的杨一玻博士及其同事的结论。研究人员通过时空格点方法运行最先进的夸克-胶子动力学计算机模拟，发现50％的质子自旋来自其胶子。结果与最近的实验一致，并显示出这样的格点模拟能够准确地预言越来越多的基本粒子的性质。模拟结果也表明，尽管胶子自旋的贡献很重要，但依然不足以“屏蔽”掉夸克的自旋贡献，这个由实验表明只有30％。其余20％的质子自旋被认为是来源于夸克和胶子的轨道角动量。

杨一玻博士在北大获得学士学位，并在中科院理论所获得了博士学位。

图：早期的观点认为质子的自旋是由其内部的价夸克构成的，现在看来，主要的贡献者是胶子。

拓扑“人脸”识别

术语“拓扑学”常常使人想起甜甜圈和椒盐卷饼的图像，但是凝聚态物理学家知道，识别拓扑相比分类糕点更困难。康奈尔大学的研究人员设计了一种基于机器学习的方法来确定材料是否是拓扑的。在凝聚态物理中使用机器学习的想法并不新鲜。研究人员已经训练了神经网络来发现局域的秩序，例如自旋的磁性排列。然而，拓扑结构材料具有非局域的秩序，从而难于确认。为了使识别更容易，团队开发了一个计算协议，将诸如多体电子波函数之类的系统信息转换成可以输入神经网络的图像。他们将这样的协议应用于不同的绝缘体，发现它可以识别哪个系统包含了量子霍尔拓扑相。

图：把系统的电子波函数信息转成了可以输入神经网络的图像。图片来自：Y. Zhang and E.-A. Kim, Phys. Rev. Lett. (2017)