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离子散射技术
本章讨论了三种用于确定单晶材料成分和几何结构的离子散射方法。这三种方法分别是卢瑟福背散射光谱法 (RBS)，通常使用高能 He 或 H 离子（能量通常为 1-3.4 MeV），中能离子散射 (MEIS)（离子能量为 50 keV 至 400 kev）和低能离子散射（100 eV 至 5 kev），后者通常称为离子散射光谱法 (ISS)。第四种技术是弹性反冲光谱法 (ERS)，它是这些方法的辅助技术，用于专门检测氢。所有这些技术都是在真空中进行的。这三种离子散射技术的信息内容有所不同，这是由于所涉及的离子能量状态不同，加上仪器的一些差异。对于最广泛使用的 RBS 方法，高能离子可以很好地穿透样品（氦离子高达 2 pn；氢离子高达 20 pm）。在进入样品的过程中，单个离子会通过一系列电子散射事件以连续的方式损失能量。有时，离子会与样品材料中的原子核发生类似弹球的碰撞，并发生背散射，产生离散的大量能量损失，其值是被撞击原子的特征（动量转移）。由于这种主要能量损失是原子特有的，而小的连续能量损失取决于行进的深度，因此出现的背散射离子的总能谱可以非破坏性地揭示这些元素的元素组成和深度分布。由于散射物理学在定量上得到了很好的理解
使用与爱丽丝的观众中子在LHC
高于150 MeV的温度，核物质过渡到夸克 - 胶状等离子体（QGP）：未绑定的夸克和胶子的阶段。在重合离子碰撞中以每核核子对（√𝑠NN）的质量量表中的重型离子碰撞达到TEV量表，该量表可以产生大于10 GEV / FM 3的能量密度。该工程的空间分布源自原子核在初始状态的重叠的波动形状。在约10 fm / c的时间尺度上，QGP（一种接近完美的流体）将空间各向异性转化为发射颗粒的动量各向异性，称为各向异性流动。这种观察结果与流体动力模型计算的比较允许提取QGP粘度。观众核子 - 碰撞核的残留物，在出现各向异性之前，该核的近距离核（≪1 fm / c）对初始状态波动很敏感。本论文列出了各向异性流的新颖测量及其相对于观众偏转的铅铅和Xenon-Xenon碰撞的波动，分别为2.76 TEV和5.44 TEV，而爱丽丝在大型Hadron Collider上。这些观察结果显示出具有初始能量密度的形状的近似通用缩放。使用观众和仅使用产生颗粒的流程测量之间的差异限制了初始状态的波动。与当前没有观众动力学的当前初始状态模型进行比较表明，需要这些动力学来提高QGP粘度提取的精度。
应用量子力学
这篇课文是斯坦福大学为电气工程和材料科学研究生准备的两学期课程，并用于该课程。该课程的目的是教授工程师在其职业中可能需要或发现有用的量子力学部分。令我惊讶的是，这使得该课程几乎与传统的物理量子课程正交，后者提供大多数物理学家认为每个学生都应该学习的部分。课程结束后，谐振子状态的解析解很少有用。我相信，在工程活动中很少需要薛定谔方程的解。对于大多数有关分子或固体电子结构的问题，紧束缚公式更为切题，同时还应了解如何获得所需参数以及如何根据这些参数计算属性。我们在其他量子教科书中没有看到这些。了解何时可以使用单电子近似以及如何在需要时包含多粒子效应也很重要。需要熟悉微扰理论和变分法，并能熟练运用芬尼的黄金法则。需要掌握量子统计力学的要素，我相信还需要掌握从目录中可以看到的许多其他主题，甚至包括原子核壳模型的要素。学生很难在短时间内吸收如此多样化的材料，但更现代的学习方法只学习当前需要的那部分内容，对于掌握物理学的基本定律来说，这种方法并不可行。按章节列出的近五十个练习旨在将量子力学用于日常问题，而不是说明量子理论的特征。解决方案可从以下网站获取，作为教师指南
双原子碱分子的势能曲线-...
势能（超）表面描述分子系统电子态的能量及其随原子核位置变化而变化，形成分子几何的“能量景观”。它是分析分子构象、过渡态和化学反应动力学的重要工具（Thru lar 等人，1987 年）。在只有两个原子的双原子分子中，原子核的位置只能用一个坐标表示，因此势能表面简化为势能曲线 (PEC)。每条曲线对应一个电子态的群表示和角动量。数据集中核间距离的范围取决于所述系统。我们的数据集由几个选定的双原子分子系统组成，由碱金属原子对创建。这种二聚体在超冷（内部温度在 mK 范围内）分子系统、玻色-爱因斯坦凝聚和化学反应相干控制的应用中特别受关注。强极性超冷分子的可能应用包括利用极性分子之间的长距离电偶极-偶极相互作用来设计光学量子系统。极性分子的内部自由度可用作量子信息的媒介。在强激光场产生的光学晶格中创建、存储和控制此类分子可用于构建量子计算机（Pazyuk，2015 年）。
二维 QCD 中的纠缠熵和流
我们讨论了在二维 (2D) 大 N c 规范理论中，在光前沿量化狄拉克夸克，快自由度和慢自由度之间的量子纠缠。利用 ' t Hooft 波函数，我们为动量分数 x 空间中的某个间隔构建了约化密度矩阵，并根据结构函数计算其冯诺依曼熵，该结构函数由介子（一般为强子）上的深非弹性散射测量。我们发现熵受面积定律的约束，具有对数发散，与介子的速度成正比。纠缠熵随速度的演化由累积单重态部分子分布函数 (PDF) 确定，并从上方以 Kolmogorov-Sinai 熵 1 为界。在低 x 时，纠缠表现出渐近展开，类似于 Regge 极限中的前向介子-介子散射振幅。部分子 x 中每单位快速度的纠缠熵的演化测量了介子单重态 PDF。沿单个介子 Regge 轨迹重合的纠缠熵呈弦状。我们认为，将其扩展到多介子状态可模拟大型 2D“原子核”上的深度非弹性散射。结果是纠缠熵随快速度的变化率很大，这与当前最大量子信息流的 Bekenstein-Bremermann 边界相匹配。这种机制可能是当前重离子对撞机中报告的大量熵沉积和快速热化的起源，并且可能扩展到未来的电子离子对撞机。
核反应网络揭示基于恒星能量的新型反应模式
摘要 尽管在发现新原子核、建模微观原子核结构、核反应堆和恒星核合成方面取得了进展，但我们仍然缺乏系统工具（例如网络方法）来了解 JINA REACLIB 中编译的 7 万多种反应的结构和动力学。为此，我们开发了一个分析框架，通过计算进入和离开任何目标核的中子和质子数，可以很容易地知道哪些反应通常是可能的，哪些是不可能的。具体而言，我们在此组装一个核反应网络，其中节点代表核素，链接代表核素之间的直接反应。有趣的是，核网络的度分布呈现双峰分布，与无标度网络的常见幂律分布和随机网络的泊松分布明显不同。基于 REACLIB 中截面参数化的动力学，我们意外地发现，对于速率低于阈值 λ < e − T γ 的反应，该分布具有普遍性，其中 T 是温度，γ ≈ 1.05。此外，我们发现了三条控制核反应网络结构模式的规则：（i）反应类型由链接选择决定，（ii）在核素 Z vs N 的二维网格上，反应核素之间的网络距离很短，（iii）每个节点的入度和出度都彼此接近。通过结合这三个规则，无论核素图如何扩展，我们的模型都可以普遍揭示隐藏在大型密集核反应网络中的底层核反应模式。它使我们能够预测代表尚未发现的可能的新核反应的缺失环节。
FY21 DOE SC 早期职业研究计划摘要
中微子真实本质的实验探索可以追溯到核物理学和粒子物理学的早期，现在正利用高精度和大规模的实验、机器和探测器。对假设的难以置信的罕见事件——原子核的无中微子双重贝塔衰变——的观察将表明中微子是其自身的反粒子，并有助于回答为什么宇宙中的物质多于反物质的基本问题。由于来自探测器的巧合但罕见的背景（即非信号）数据，当前和计划中的实验只能探索无中微子双重贝塔衰变的某些理论。要完全解决原子核是否能发生这种尚未检测到的反应，需要在探测器技术上取得新的突破，通过消除背景事件，达到难以捉摸的“正常有序”无中微子双重贝塔衰变模式。该研究项目将把核物理研发领域的最新进展统一并整合到一种新型探测器中，该探测器能够展示无背景无中微子双贝塔衰变搜索。值得注意的是，这将包括能够在单离子水平上检测氙气双贝塔衰变产生的钡++离子的传感器。此外，该探测器将综合直接紫外光收集和快速光学相机，以实现无中微子双贝塔衰变事件的高分辨率 3D 成像。实现无背景无中微子双贝塔衰变搜索将使科学办公室对无中微子双贝塔衰变的高优先级搜索达到前所未有的灵敏度水平。
量子场的广义对称性和相位
对称性是一种不变性：数学对象在一系列运算或变换下保持不变的性质。物理系统的对称变换是理解自然物理定律的基石之一。以恒定相对速度运动的观察者之间的对称性使伽利略提出了相对论原理，为现代物理学的基础提供了初步见解。正是控制麦克斯韦方程的对称性，即洛伦兹群，使爱因斯坦将伽利略的思想推广到狭义相对论，这是我们理解基本粒子运动学以及原子核稳定性的基础。在量子领域，由于自旋和统计学之间的深层联系，人们可以从对称性开始解释元素周期表。从更现代的角度来看，洛伦兹群的表示理论为开始组织相对论量子场理论提供了起点。基本粒子的量子数由对称群组织。对称群与规范对称性、自发对称性破缺和希格斯机制一起被用来构建基本粒子的标准模型，这是 20 世纪最伟大的科学成就之一。随着与扩展算子相关的各种新型对称性的发现，量子场论的最新研究正在经历一场进一步的革命。这些广义全局对称性 [1] 包括高阶形式对称性、范畴对称性（如高阶群对称性或不可逆对称性），甚至更普遍的子系统对称性等。这些新颖的对称性从根本上扩展了以前仅仅基于李代数和李群数学的标准对称概念，它们基于更先进的数学结构，概括了高阶群和高阶范畴。广义对称性有望对我们理解从凝聚态物理学到量子信息、高能物理学甚至宇宙学等各个物理学领域相关的量子场动力学产生深远的影响。1
精神高于物质：菲利普·安德森和物理学......
1990 年，美国众议院批准联邦政府共拨款 50 亿美元建造一台巨型质子加速器，即超导超级对撞机 (SSC)。这台机器的目的是测试亚原子粒子的复杂理论描述，并向全世界宣布美国不准备将高能粒子物理研究的领导地位拱手让给欧洲。一些不从事粒子物理研究的科学家和科学管理人员担心 SSC 的建设和维护成本会吸走政府从他们自己的研究领域获得的资金。结果，每年国会审议该项目预算时，科学界的意见并不统一。两位诺贝尔奖获得者成为支持和反对 SSC 的主要发言人。粒子物理学家史蒂文·温伯格支持该项目，凝聚态物理学家菲利普·安德森反对该项目。温伯格是微观物理学的专家，他是亚原子粒子理论“标准模型”的创始人之一，而 SSC 的设计初衷正是测试这一模型。他认为，科学界最重要的问题在于发现宇宙中最微小的粒子所遵循的物理定律。了解了这些微观定律，人们就可以（原则上）推导出原子核、原子、分子、固体、植物、动物、人、行星、太阳系、星系等较大物体所遵循的宏观定律。安德森是微观物理学的专家，他是凝聚态物理学的创始人之一，凝聚态物理学是一门研究大量原子如何相互作用，产生从液态水到闪亮钻石等各种物质的科学。他同意标准模型很有趣，但他否认基本粒子物理学定律对一些众所周知的难题和未解问题有任何帮助，例如：为什么存在物质？
二维空间中 skyrmion 的量子态......
Skyrmion 从高能物理进入材料科学 1 ，在那里它们被引入来模拟原子核 2-4 。它们是拓扑保护磁存储器的潜在候选者 5-7 。 Skyrmion 的拓扑稳定性源于连续场在连续几何空间上映射的离散同伦类，例如，将三分量恒长自旋场映射到磁性薄膜的二维空间。它依赖于二维海森堡模型的平移（准确地说是共形）不变性。一旦这种不变性被晶格破坏，skyrmion 就会变得不稳定，不会坍缩 8 ，必须通过额外的相互作用来稳定，比如 Dzyaloshiskii-Moriya、磁各向异性、塞曼等。在典型的实验中，skyrmion 的大小由磁场控制。当尺寸低于一定值时，交换相互作用总是占上风，而 skyrmion 会坍缩 9。观察到的 skyrmion 纹理通常包含数千个自旋。即使是实验中最小的纳米级 skyrmion 也包含数百个自旋。此类 skyrmion 由 Lorentz 透射电子显微镜 10 成像，通常被视为经典物体。然而，随着 skyrmion 变得越来越小，人们必须预料到量子力学在某个时候会发挥作用。这项工作的动机是观察到 skyrmion 经典坍缩为晶格的一个点与量子力学相矛盾。它与不确定性原理相矛盾，就像电子坍缩到质子上一样。然而，当前的问题比氢原子的问题要困难得多。skyrmion 拥有的大量自旋自由度类似于多电子原子的问题，对于多电子原子，无法对其进行量子态的分析计算。过去，人们已经研究过 skyrmion 量子行为的某些方面。基于 Thiele 动力学与磁场中带电粒子运动的类比，人们研究了 skyrmion 在钉扎势中的量子运动 11 。人们通过从自旋场的拉格朗日量推导出 Bolgoliubov-de Gennes 哈密顿量，解决了手性磁体中的磁振子-skyrmion 散射 12 。通过开发