西风带（西风带范围）

编译｜冯维维

Nature,7 January 2021,Volume 589 Issue 7840

《自然》2021年1月7日，第589卷，7840期

粒子物理Partical Physics

Competing magnetic orders in a bilayer Hubbard model with ultracold atoms

超冷原子双层哈伯德模型中的竞争磁序

▲ 作者：Marcell Gall, Nicola Wurz, Jens Samland, Chun Fai Chan & Michael K?hl

▲ 链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03058-x

▲ 摘要

光学晶格中的费米子原子是研究和模拟强相关物质物理的一个有用的模型系统。

由于高分辨率显微镜技术的发展，目前的研究重点集中在二维系统上。然而，真实材料的晶格结构，如双层石墨烯，是由耦合层组成的，因此不是严格的二维结构，这必须在模拟中考虑。

这项研究利用光学晶格中的超冷原子实现了双层费米-哈伯德模型，并证明了层间耦合控制了平面反铁磁有序Mott绝缘子和沿层间键的自旋单线带绝缘子之间的交叉。

作者通过测量二维层内和层间的自旋-自旋相关来探讨磁序的竞争。该研究有助探索耦合层哈伯德模型的进一步性质，如理论上预测超导配对机制。

Single-defect phonons imaged by electron microscopy

用电子显微镜成像的单缺陷声子

▲ 作者：Xingxu Yan, Chengyan Liu, Chaitanya A. Gadre, Lei Gu, Toshihiro Aoki, Tracy C. Lovejoy, Niklas Dellby, Ondrej L. Krivanek, Darrell G. Schlom, Ruqian Wu & Xiaoqing Pan

▲ 链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03049-y

▲ 摘要

晶体缺陷通过散射声子和修改声子谱来影响材料的热传导和热传递特性。

要了解固体中的缺陷是如何影响热导率和扩散率的，因此必须了解声子—缺陷的相互作用。作者证明了在透射电子显微镜中空间和角度分辨的振动光谱可以映射单个晶体缺陷的振动光谱。

他们在立方碳化硅单个叠加错误附近探测到声学振动模式能量的几个毫伏红移，及其强度的显著变化，并发现这些变化仅限于叠加错误的几个纳米范围内。

这些观察结果说明，最先进的透射电子显微镜的能力为直接映射缺陷周围的声子传播打开了大门，这有望为工程材料的热性能提供有用的指导。

生物物理与材料物理

Biological & material physics

11 TOPS photonic convolutional accelerator for optical neural networks

光子卷积加速器让光学神经网络每秒运算数万亿次

▲ 作者：Xingyuan Xu, Mengxi Tan, Bill Corcoran, Jiayang Wu, Andreas Boes, Thach G. Nguyen, Sai T. Chu, Brent E. Little, Damien G. Hicks, Roberto Morandotti, Arnan Mitchell & David J. Moss

▲ 链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03063-0

▲ 摘要

卷积神经网络受生物视觉皮层系统的启发，是一种功能强大的人工神经网络，它可以提取原始数据的层次特征，大大降低参数复杂度，提高预测的准确性。

作者演示了一种通用光学矢量卷积加速器，其每秒运算数万亿次（1012次），生成250,000个像素的图像卷积——足以进行面部图像识别。他们使用相同的硬件组成一个有10个输出神经元的光学卷积神经网络，以88%的准确率成功识别手写体数字图像。

作者表示，该结果是基于同时交错的时间、波长和空间维度的集成微梳源。这种方法具有可扩展性和可培训性，适用于更复杂的网络，如自动驾驶汽车和实时视频识别等要求较高的应用。

Origins of structural and electronic transitions in disordered silicon

无序硅中结构和电子跃迁的起源

▲ 作者：Volker L. Deringer, Noam Bernstein, Gábor Csányi, Chiheb Ben Mahmoud, Michele Ceriotti, Mark Wilson, David A. Drabold & Stephen R. Elliott

▲ 链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03072-z

▲ 摘要

结构无序的材料提出了一些基本问题，包括不同的无序相（“多晶硅”）如何共存以及如何从一种相转变为另一种相。

作者展示了通过精确的量子力学计算训练的原子机器学习模型如何有助于描述一个有10万个原子（10纳米长度尺度）的系统的液体非晶和非晶-非晶转变，预测结构、稳定性和电子性质。他们的模拟揭示了非晶硅在增加外部压力下的三步转变序列。

首先，多晶低、高密度非晶区并存，而不是依次出现；然后，他们观察到一个结构坍塌成一个明显的高密度非晶（VHDA）相；最后，该模拟表明这种VHDA相的瞬态性质：迅速成核结晶物，最终导致多晶结构的形成，这与实验一致，但在早期的模拟中没有看到。

电子态密度的机器学习模型证实了金属丰度在VHDA形成和随后的结晶过程中的开始。这些结果阐明了硅的液态和非晶态，在更广泛的背景下，这一案例证明了可以用一种机器学习驱动的方法来预测材料建模。

气候与生态Climate & Ecology

Poleward and weakened westerlies during Pliocene warmth

上新世温暖时期西风带向极地减弱

▲ 作者：Jordan T. Abell, Gisela Winckler, Robert F. Anderson & Timothy D. Herbert

▲ 链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03062-1

▲ 摘要

盛行的中纬度西风，被称为西风风，是气候系统的一个基本组成部分，因为它们在驱动海洋表面环流和调节海气热、动量和碳交换方面起着至关重要的作用。

最近的研究表明，西风带在人类活动的影响下正在向极地迁移。作者发现西风带在温暖的上新世比在大约273万年前北半球冰川期（iNHG）加强之后的冰川期更弱，更向极地移动。

他们基于灰尘和出口生产力重建的结果表明，在iNHG期间，主要的冰盖发展伴随着中纬度北太平洋的灰尘通量的大幅增加，特别是与亚北极北太平洋的灰尘通量相比。

在这种变化之后，尘埃和生产力的变化很大程度上追踪了上新世晚期和更新世早期的冰期-间冰期旋回。

根据这一模式，他们推断西风带的变化主要是由上新世-更新世的热梯度和冰体积的变化所驱动的。

通过将这种关系与其他尘埃记录和气候模拟结果结合起来，作者发现西风带的拟议变化是全球同步的。如果上新世预示着未来的变暖，他们假设继续向极移动和现在西风带在两半球减弱是可以预期的。

Drivers and dynamics of a massive adaptive radiation in cichlid fishes

慈鲷大量适应性辐射的驱动因素和动态

▲ 作者：Fabrizia Ronco, Michael Matschiner, Astrid B?hne, Anna Boila, Heinz H. Büscher, Athimed El Taher, Adrian Indermaur, Milan Malinsky, Virginie Ricci, Ansgar Kahmen, Sissel Jentoft & Walter Salzburger

▲ 链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2930-4

▲ 摘要

适应性辐射是生物生态和形态多样性的重要来源。在大多数情况下，适应辐射是如何进行的以及是什么决定了适应的程度仍不清楚。作者对坦噶尼喀湖丽鱼的壮观适应性辐射进行了深入研究。

在全基因组系统发育分析的基础上，对坦噶尼喀湖特有的大约240种丽鱼科鱼类的三种生态相关特征复合体（体型、上口颌形态和下咽颌形态）的多变量形态学测量、色素沉积模式评分和几乎全部的生态近似值，研究表明，辐射发生在湖泊范围内，形态多样化以连续的特征特征脉冲式的形态空间快速扩张进行。

他们表示这为自适应辐射如何进行的两个理论预测提供了经验支持，“早爆发”情景（针对身体形状）和阶段模型（针对所有被调查的特征）。

通过对每个物种两个基因组的分析，并利用辐射亚分支物种分布不均匀的优势，他们进一步发现，物种丰富度与个体杂合度呈正相关，但与转座因子含量、基因复制数或编码序列的全基因组选择水平无关。