物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201608 期工作简报(2016-10-20)(院办)

2016年10月20日

南京大学物理学院工作简报
第201608期(总第258期)
南京大学物理学院 2016-10-20

 
1、PRL报道我院关于TaAs高压相的研究成果
近日,南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心的多个协同单位中的课题组通力合作,协同创新取得重要进展。包括我校物理学院孙建教授课题组、万贤纲教授课题组,中科院合肥物质科学研究院杨昭荣研究员课题组,以及北京高压研究中心杨文革研究员课题组等小组的研究人员,一同对Weyl半金属材料TaAs在高压条件下结构与拓扑性质的调控进行了深入研究,发现了TaAs在高压下存在一个新的拓扑相,而且它是一种与常压相不同的Weyl半金属,相关结果以“Pressure-Induced New Topological Weyl Semimetal Phase in TaAs”为题,发表在《物理评论快报》上(Physical Review Letters 117, 146402 (2016))。

图1 理论预言的TaAs各相的焓值和体积随压力变化的曲线,及其晶体结构。
Weyl半金属材料是近年来国际凝聚态物理研究的热点之一。电子在这种材料中运动时其动量与自旋之间被绑定,从而没有背向的散射,可以实现无耗散的电子传输,可能在新一代的电子器件中有重要的应用。TaAs家族材料是较早在理论预言后很快被实验证实的Weyl半金属材料之一。在常压下,TaAs具有四方结构,其空间群为I41/md。这类材料体内有共有12对Weyl点,分别分布在两个不同的能级上,其电子结构比较复杂。
另一方面,高压是调节材料晶体结构进而改变材料电子结构的重要手段,高压也是合成新材料的重要方法。近年来,研究人员在很多材料中用高压方法诱导出了超导电性。在一个具有拓扑性质的材料中加压,研究材料有没有可能在保持拓扑性质的同时出现超导也是研究拓扑超导的思路之一。所以,课题研究人员想尝试利用高压改变Weyl半金属的电子结构并探索可能的拓扑超导。

图2 理论计算的TaAs高压相的电子结构和Weyl点。
课题研究人员利用基于第一性原理计算的晶体结构预测方法仔细研究了TaAs在高压下的可能结构,预言了TaAs在14GPa的高压下会出现新的稳定相(空间群为P-6m2),如图1所示。更为有意思的是,在仔细研究了这个高压相的电子结构后,课题研究人员发现它是一种全新Weyl半金属相,与常压相不同,高压相在其动量空间只有一套共6对Weyl点,并且这6对Weyl点处在同一能量面上,为角分辨光电子能谱实验观测带来一定的便利,并可能为研究拓扑表面态与材料其他性质之间的关联提供了很好的平台。计算所得的声子谱表明这种新的高压结构即使是在常压下也能作为亚稳相存在。课题研究人员的理论预言被合作者的高压输运测量实验和高压同步辐射XRD实验所证实,实验测得的相变压强与理论预言符合得很好。

图3 理论计算TaAs高压相(100)方向的表面态及费米弧。
这是一项多方努力合作完成的研究工作,物理学院多位老师和同学参与其中,我校主要负责其中的晶体结构预测和理论计算工作。我校物理学院博士生陆鹏超、杜永平为本文共同第一作者,孙建教授、万贤纲教授为共同通讯作者。我校物理学院邢定钰院士,合肥物质科学研究院张裕恒院士等指导并参与了研究工作。该项研究得到了中组部青年千人计划、科技部重点研发计划和973项目、国家自然科学基金委项目、江苏省杰出青年基金、江苏省双创人才等基金的资助。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_43520)
 
2、缪峰教授课题组在Nature Communications发表第二类外尔半金属手征特性调控最新成果
1929年,物理学家Hermann Weyl预言了一种无质量的相对论粒子,即“外尔费米子”。直到近几年,外尔费米子才最终在凝聚态物理体系中被发现。通常的外尔费米子满足洛伦兹对称性,称为“第一类外尔费米子”。最近理论预言,在凝聚态物理中可以存在另一种打破洛伦兹对称性的“第二类外尔费米子”,对应的拓扑材料称为“第二类外尔半金属”。 第二类外尔半金属具有拓扑保护的不闭合表面态(费米弧),体带中由于外尔点附近的能带发生显著的倾斜,理论预言会诱导各向异性的手征输运特性等新奇量子现象,掀起了人们广泛的研究兴趣。
缪峰教授课题组选取了第一种被理论预言的第二类外尔半金属:二碲化钨(WTe2)开展研究。WTe2是一种层状结构的过渡金属硫族化合物,最近因为实验上观察到的巨大不饱和磁阻已经受到了广泛的关注。其面内两个晶向相互垂直(a, b轴),由于a 轴方向钨链的形成,导致很强的面内各向异性。该课题组利用WTe2层状可剥离的特点得到不同层数的样品,采用可校准掩模蒸镀技术制作出高质量的WTe2薄膜器件,并发现研究WTe2手征输运特性的样品理想厚度为7-15nm。研究人员在电流平行于b轴的样品中,观测到了显著的纵向负磁阻效应(磁场与电流方向平行)。该效应对磁场与电流之间的夹角变化非常敏感,在完全平行(夹角为零)时效应最为明显,而很小的角度就可以有效抑制该效应,分析表明该纵向负磁阻效应是由手征反常导致。同时,该课题组利用同样的制作工艺制备出电流平行于a轴(钨链)的样品,发现手征反常特性消失,从而有力验证了WTe2作为第二类外尔半金属的特征。
在拓扑电子学的研究中,如何有效调控拓扑输运特性是实现应用的关键。在观测到手征反常效应的基础上,该课题组利用薄膜器件可栅压调控的优势,首次实现了外尔半金属费米能在外尔点附近的原位调节,在WTe2器件中实现了手征输运特性的场效应调控。该工作不仅在凝聚态物理中为原位研究第二类外尔费米子提供了可通用的实验手段,并且对拓扑及手征电子学的应用研究有着重要的意义。

图(a) 薄膜器件结构示意图;(b) 角度敏感的负纵向磁电阻; (c) 背删调节下的负磁阻;(d) 手征反常参量随栅压的变化(CW从c图的磁阻曲线拟合得到),对应费米能调过了外尔点。
该工作以“Gate-Tunable Negative Longitudinal Magnetoresistance in the Predicted Type-II Weyl Semimetal WTe2”为题于2016年10月11日发表在《自然-通讯》杂志上 (Nature Communications 7, 13142 (2016))。我院博士生王瑶佳为论文的第一作者,缪峰教授、以及提供理论计算的万贤纲教授和王伯根教授为该论文的共同通讯作者,邢定钰院士和南方科技大学卢海舟教授为该项研究提供了理论支持,王振林教授提供了拉曼实验协助。该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心、科技部“量子调控”国家重大科学研究计划(青年科学家专题)项目、科技部国家重点基础研究发展计划(973计划)、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金等资助。
论文链接 http://www.nature.com/articles/ncomms13142
缪峰教授课题组主页 http://nano.nju.edu.cn/
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_1_43590)
 
3、我院与郑州外国语学校签署领航中学物理教师培训合作协议
9月27日上午,郑州外国语学校物理学科领航教师培训基地签字仪式在南京大学唐仲英楼会议室举行。郑州外国语学校校长王中立、南京大学副校长王志林教授参加并见证签字仪式。
郑外王中立校长表示:南京大学物理学院名师云集,师资力量雄厚,在国内物理学科处于领先地位,郑外不仅要将对物理感兴趣的好学生送到南京大学培养,还要邀请南大优秀教师到郑外或将郑外物理教师送到南大进行培训,为培养后续物理人才形成联动机制;南京大学党委常委、副校长王志林教授指出:郑外在三十多年的办学实践中取得巨大成就,成为河南基础教育的领头羊,在这样的背景下还能够居安思危,重视教师队伍的素质培养,反映了郑外的高瞻远瞩。南大要派出优秀的教师参与培训活动。
与南京大学签订物理学科领航教师培训协议,建立新型中学与大学的联动关系,是由郑州外国语学校主导,历经两年的努力达成的。该项活动打破了此前中学与大学之间仅仅是“生源基地”的单向关系,将有助于双方的交流互动,促进高质量创新型人才的培养。
出席此次签字仪式的还有郑州外国语学校石敬凯副校长、校办主任赵军洁、物理教研组长杨德新、王首道,南京大学学生处处长龚跃、物理学院院长李建新、物理学院副院长吴小山、教师代表鞠国兴、周进,院长助理应学农,负责河南招生宣传的计算机系也派老师参加了签字仪式。
(应学农供稿)
 
4、教职工体检通知
根据校办“关于全校教职工体检通知〔南办发(2005)42号〕”的精神和学校医院的统一安排,物理学院教职工2016年的体检工作安排如下:
一、体检对象:全院在编教职工和退休人员(离休人员的体检由离退休工作处统一安排);
二、体检项目包括:内科、心电图检查、身高、体重、抽血化验、胸透X线、B超检查;
三、体检前一日饮食清淡,不要吃易产气、高脂、高蛋白食物,体检当日空腹(高血压患者请照常服用降压药),先行抽血和B超后方可进餐;
四、体检完毕,请将体检表交至医院预防保健科;
五、体检结果统一返回院里,院里将及时发至各人(未交体检表者将不会收到体检结果)。
六、体检时间为上午7:30—10:00。因我院教职工较多,校医院为我院安排11月7日、8日、9日、10日四天进行体检,请按照医院在体检指引单上通知的日期进行体检;
七、妇女病普查同时进行,体检时间为上午8:00—11:00,下午2:00—4:00,地点为校医院二楼妇科。
为保证体检工作有序进行,敬请各位老师支持与配合,按照体检指引单通知的日期进行体检。
(院办供稿)
 
 
 
 
 
 
 

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