物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201602 期工作简报(2016-3-7)(院办)

2016年03月07日

南京大学物理学院工作简报
第201602期(总第252期)
南京大学物理学院 2016-3-7

 
1、闻海虎教授小组在铁基超导机理研究方面取得重要进展
超导现象是固体中的电子发生配对和量子凝聚的现象。由于超导态载流子是库珀电子对,具有类玻色特性,因此在一定温度以下,会凝聚到一个更低能量的宏观量子相干态,表现出电阻为零和完全抗磁性等性质。对超导体奇异性质的研究,不仅会大大推动凝聚态物理的前沿发展,同时会为人类带来许多重要的,甚至是不可替代的应用。高温超导机理研究的核心内容是关于电子对形成的原因。南京大学闻海虎教授小组长期致力于高温超导机理问题的研究,最近在铁基超导机制的研究方面取得了重要新进展。该工作于2016年1月29日发表在Nature Communications7,10565(2016)。

1. (a), (Li1-xFex)OHFeSe超导体解理后露出的硒原子面(周期性亮点)和杂质点(哑铃状亮点)。(b), (Li1-xFex)OHFeSe原子结构示意图。 (c), 远离杂质点测量到的典型隧道谱形状,可以清晰看见两个能隙结构。(d), 在一个解理面上测量的98条谱上能隙的统计结果。

 
超导态一旦形成,如果想从此低能超导凝聚体中激发一个单电子就需要一定能量。这个能量被通称为超导能隙,它对超导态起到保护屏障的作用。这也是为什么超导态能够在有限温度下存在的原因。利用扫描隧道谱技术,能够直接测量这个能隙,包括超导能隙的大小和结构,并进一步获得电子配对的机理。最近几年,国际上发现了一些基于FeSe(铁硒层)的新型超导体。电子结构测量发现这些超导体中只出现了一套电子费米面,然而隧道谱上看总是观测到两个超导能隙。为什么在一套费米面上出现了两个超导能隙,这是近几年困扰学术界的一个悬而未决的问题。此外,如果只有电子型费米面,没有了空穴费米面,理论预言的S+-模型是否还正确?

 

闻海虎教授小组利用在南京大学建立的综合实验条件,生长出高质量的(Li1-xFex)OHFeSe高温超导单晶,并对该超导体的扫描隧道谱进行了深入的研究。该超导体原子结构如图1b示意图所示。在远离杂质点测量到的隧道谱如图1c所示,表现出清晰的双能隙结构。对在一个样品的同一解理面内测量到的98条曲线进行统计,发现超导能隙分成为两组(如图1d所示),其中心位置大约在14.3和8.6毫电子伏特。如果用大能隙值(14.3 meV)代入计算发现2D/Tc » 8.7, 这个比值远远大于基于电声子耦合导致电子配对的巴丁-库珀-施瑞弗理论值(2D/Tc » 3.53)(1972年诺贝尔物理学奖)。因此这个新结果揭示铁基超导不是通过简单电声子耦合实现的。

2.(a),在能量为14.5mV测量到的微分电导(dI/dV, 对应电子态密度)在空间的分布。可以看见一些电子波干涉的图案。(b),(a)中的电子干涉图谱经过傅立叶变换以后的图案。(c),同样方法在小能隙能量附近8.6mV测量到的QPI图案。(d),理论预测的大概费米面图形。(e),根据(d)中的费米面信息所做的模拟QPI图案,与实验结果(b,c)相似。(f),(g),小动量散射的QPI图案,反映的是费米面内部散射的信息。

 
为了仔细分辨隧道谱上面所发现的两个超导能隙的起源,闻教授他们利用了一种称为准粒子散射相干技术(quasiparticle interference,简称QPI)。超导态库珀对被杂质破坏以后,形成单电子态,这些单电子表现出行波形式,而这些电子波又被杂质所散射形成一定的驻波态,在超导体表面稳定存在并被空间分辨的扫描隧道谱直接测量出来。有个形象的比喻是池塘中的水波如果被露出水面的石头所散射,也会形成一定的驻波态,根据这个驻波态的形式,可以分析池塘中露出水面的石头个数和分布情况。同样的道理,测量到电子因为散射相干形成的驻波态以后,就可以通过傅立叶变化到倒易空间,得以获得电子结构信息,如费米面,超导能隙特征等,这就是QPI技术。图2a显示的就是在解理面上,在大能隙的能量附近,测量到的QPI图谱。图2b和2c就是在不同能量测量到的电子驻波态,经过傅立叶变换后的图案,可以清晰看见不同费米面的信息。图2d是理论上预测的经过能带叠加(或杂化后)电子费米面图。根据这样一个费米面的信息得到的QPI模拟结果放在图2e中,可以看出模拟结果与实验结果大致相似。

 

为了更清楚地研究双能隙对应费米面和超导能隙的情况,他们又特别精细地测量了大面积实空间的电子相干图谱,这样反演到倒易空间,清晰度可以大大提高。一般这样一个图谱要稳定测量1-2天,而且要保证针尖不能偏离原子位置,难度极大。如图3所示,通过改变能量,他们发现在低能部分,没有费米面出现,证明超导能隙是完整的(fully gapped)。然而逐渐增加能量的时候,在接近或达到小能隙能量的时候,第一套费米面(波矢较小)浮现出来。再继续增加能量,他们发现另外一套费米面逐渐显露,在达到大能隙的时候,第二套费米面已经变得很清晰,形成了明显的里外层费米面套叠的情况。根据外套费米面在更高能量出现的事实,合理的推论是大能隙对应外套费米面,而小能隙对应内套费米面。这是在只包含电子费米面的众多铁硒基材料中,第一次甄别出内外两套费米面,并且与双能隙结构联系起来。

3. (a)-(j) 根据相应能量测量到的态密度空间图谱,通过傅立叶变换以后获得的倒易空间电子结构的信息。在小能量的时候,内套费米面先显露出来;在大能量的时候,外套费米面开始显露。因此可以推论,存在由于费米面套叠或杂化形成的内外套费米面,而大(小)能隙对应外(内)套费米面。

 
本项研究第一次清楚地说明了在只有电子型费米面存在的铁硒基的高温超导体中,为什么有双能隙的特征。其意义体现在以下几个方面:(1)在一种典型铁硒基高温超导体中,观察到双能隙特征,与引起广泛关注的铁硒单层膜上的数据极其相似,也许内在物理是一致的;(2)在早期大量的实验数据都认为只有一套电子型费米面时,该工作第一次甄别出来内外两套靠得很近的费米面,并获得了相应的超导能隙的特征;(3)超强的能隙和转变温度的比值把铁基超导体完全归类于非电声子耦合导致的电子配对。这个重要进展将大大推动铁基超导机理问题的解决。

 

此项研究是闻海虎教授小组在南京大学取得的系列成果的最新进展。此前他们发现了无磁性杂质诱导的电子相干态,这是理论上预言的支持S+-模型的指纹性证据,因此国际同行认为“这是迄今为止他所看见的支持S+-模型的最坚实的实验证据”。该工作于2013年11月发表在Nature Communications 4, 2749(2013)。同时,他们在两个完全不同铁基超导体系中,还发现了与超导密切相关的新的能量尺度 W(即玻色模),说明铁基超导电子配对与磁相互作用密切相关,该工作于2013年1月发表在Nature Physics 9, 42(2013)。目前,该小组还在深入研究,力争在铁基超导机理问题解决的过程中做出最终决定性的成果。
该最新成果是闻海虎教授小组独立完成的。扫描隧道显微镜、隧道谱测试和分析部分是由杜增义,杨雄,方德龙,杜冠同学,杨欢教授和闻海虎教授完成;样品制备和表征是由林海,邢捷同学和祝熙宇副教授完成;杜增义,杨雄和林海为同等贡献第一作者;杨欢和闻海虎为共同通讯作者;闻海虎协调了整个工作进展。
此工作得到教育部985计划,科技部973计划和自然科学基金委的支持。
(杨欢供稿)
 
2、缪峰教授、王伯根教授课题组在新型二维材料光电探测器研究领域取得进展
物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的缪峰教授课题组和王伯根教授课题组在新型二维材料二硫化铼(ReS2)光电探测器研究领域取得重要进展,相关论文于2016年2月5日发表在《Advanced Functional Materials》杂志上(Advanced Functional Materials, DOI:10.1002/adfm.201504408)。邢定钰院士指导并参与了本文的工作。该论文的第一作者是物理学院博士后刘尔富博士,通讯作者是南京大学缪峰教授、王伯根教授及斯坦福大学袁洪涛研究员。
自2004年石墨烯被发现以来,二维材料已成为近十余年的研究热点。2011年开始被广泛关注的过渡金属硫族化合物是具有合适带隙的半导体型二维材料,在电子与光电器件应用等方面展现出巨大潜力,为后摩尔时代集成化电子器件的研究开辟了新的方向。作为一类特殊的过渡金属硫族化合物,二硫化铼(ReS2)具有低晶格对称性和弱层间耦合的特性,从而表现出与其他过渡金属硫族化物不同的物理性质,例如各向异性以及在多层样品中保持直接带隙。而其中多层直接带隙这一特性预示ReS2可能在高性能光电探测器件领域有重要的应用前景。

(a)基于多层ReS2与氮化硼范德瓦尔斯异质结构的高性能光电晶体管器件;(b)ReS2光电探测器的超高响应率,和所有类似结构的二维材料光电器件相比是最高的;(c)缺陷态导致的增益机制示意图;(d)实现对微弱光信号的探测。

 
这项工作基于该课题组之前对薄层ReS2性质的研究(Nature Communications 6, 6991 (2015); DOI: 10.1038/ncomms7991),利用机械解理法以及二维材料定向转移法得到了多层ReS2与氮化硼的高质量范德瓦尔斯异质结构,并利用微纳加工方法制备了基于多层ReS2的高性能光电晶体管器件(图a)。在可见光波段的激光照射下,ReS2光电探测器表现出优异的性能,光电响应率高达88600 A/W,比之前报道的结果高出了5000倍。这一数值在所有类似结构的二维材料光电器件中是最高的,是单层MoS2光电探测器的100倍(图b)。如此高的光电响应率可通过多层ReS2中较高的光吸收以及有效的增益机制来解释,其中增益机制来自于ReS2中的缺陷态(图c),该机制也得到器件电子输运机制研究结果的证实。基于ReS2的高性能光电探测器件因为其超高的响应率,可能会在微弱信号探测领域有着重要的应用,该项工作最后还利用打火机及日光灯作为微弱光源成功实现了简单的演示(图d)。

 

这项工作的主要意义在于:(1)研究了新型二维材料ReS2与氮化硼异质结的光电探测性能,得到所有类似结构的二维材料光电探测器中最高的探测率(88600 A/W);(2)结合电子输运的研究,解释了基于ReS2光电探测器超高响应率的机制;(3)利用ReS2光电探测器超高的响应率实现了对微弱光信号的探测,为ReS2在未来光电子器件方向的应用提供了基础。
该项研究得到科技部“量子调控”国家重大科学研究计划(青年科学家专题)项目、江苏省杰出青年基金、科技部国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家自然科学基金等资助。
(缪峰供稿)
 
3、祝世宁教授、刘辉教授课题组用广义相对论原理实现芯片上光子波前的调控
广义相对论研究宇宙的起源和天体运动获得巨大成功,最近,物理学院祝世宁教授、刘辉教授课题组与以色列理工学院的Segev教授组合作,利用爱因斯坦引力波方程与电磁理论中的对应关系,利用变换光学的方法,在光子芯片上成功地实现了的光波波前的调控,为光子芯片光的操控提出了一种新的原理和方法。
根据波动光学的惠更斯原理,光子在空间中的传播是通过光子波前的运动来描述。因此,如果我们能够控制光子的波前,就能控制光子的运动。最近几年,随着集成光学的发展,人们越来越需要在微小的光子芯片上控制光子波前,实现光子的操控。为此,人们提出了各种人工微结构材料实现光子波前控制,例如:光子晶体,超构材料,和金属表面等离激元等。
最近,物理学院该课题组的博士研究生盛冲,在刘辉教授的具体指导下,在集成光子芯片上,通过模拟广义相对论的引力透镜效应,实现了非欧弯曲时空中光子的波前控制。实验中,盛冲同学通过液滴的表面张力效应,制备出了一种模拟天体中心引力场的聚合物波导((a)),并利用量子点荧光显微成像技术,直接观察到了光子波前在引力场弯曲时空中的传播过程。实验结果表明,这种模拟弯曲时空的光子芯片,不但可以实现非衍射的光束,而且还能模拟爱因斯坦环这种罕见的天文现象((b))。该工作的实验部分是由南京大学课题组完成,以色列课题组协助进行了理论分析和数据处理。研究结果最近发表在Nature Communications 7:10747, DOI: 10.1038/ncomms10747 (2016),南京大学为第一作者单位。
该项研究得到自然基金创新群体项目(No. 11321063)、杰出青年基金(No. 61425018)、国家重点基础研究发展计划(No. 2012CB933501 and 2012CB921500), 以及南京大学登峰人才计划B层次的资助。
(刘辉供稿)
 
4、《自然通讯》报道汤怒江副教授/都有为院士团队在低维碳材料的轻质元素超掺杂及其磁性等方面的重要研究成果
物理学院、南京微结构国家实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的汤怒江副教授/都有为院士团队与东南大学和中科院金属研究所合作,在低维碳材料(如碳纳米管、石墨烯)的轻质元素超掺杂和磁性等研究中取得突破性进展,相关研究成果以《Elemental superdoping of graphene and carbon nanotubes》为题,201634日在线发表于Nature Communications 7,10921(2016)。我校物理学院2009级直博生刘圆及其导师汤怒江副教授完成了主要实验工作,东南大学孙立涛教授研究组进行了微观结构的表征工作,中科院金属所的刘畅研究组进行了氧催化性能表征等工作。汤怒江副教授和中科院金属所成会明研究员对整个研究工作进行了组织与协调。汤怒江副教授、孙立涛教授与成会明研究员为论文共同通讯作者。
低维碳材料一直是实验和理论研究的前沿。该类材料和其它无机自旋电子材料相比,自旋扩散长度要高约3个数量级(达1.5~2 微米),这有利于人工调控其自旋,故这类材料在自旋电子学器件中具有潜在应用前景。但石墨是一种本征非磁性材料,不存在局域磁矩,这限制了该类材料在自旋电子学器件上的应用。因此,如何在本征非磁的低维碳材料中引入高浓度的局域磁矩,并使之发生铁磁耦合而实现长程铁磁有序,是迫切需要解决的一个关键科学问题。大量理论研究表明,轻质元素(如氮、硫、硼等)的掺杂可在这类材料中有效引入局域磁矩。但由于这些元素只能掺杂在石墨层的空位位置处,加之空位浓度有限,使轻质元素的掺杂浓度较低。此外,通过精确控制掺杂浓度进而对其理化性质进行精确调控,对于开发其应用也具有重要意义。
该合作团队提出了一种低维碳材料中的轻质元素超掺杂技术,即首先对低维碳材料进行氟化,然后进行退氟处理,再进行相关轻质元素的原位掺杂。该技术不仅可以获得超高的掺杂浓度,而且还能精确控制其掺杂浓度。例如,将低维碳材料进行氟化后再在氨气中退火,实现了对零维石墨烯量子点、一维碳纳米管、二维石墨烯的超高浓度的氮掺杂。随后该研究团队还借助该超掺杂技术实现了低维碳材料中的硫和硼的超掺杂,验证了该技术的普适性。同时他们还发现,通过对低维碳材料的氟化度进行控制,可精确调控氮和硫等轻质元素的掺杂度。大量研究证明轻质元素掺杂在低维碳材料中的均匀性对掺杂材料的性能改进效果具有重要影响。该研究团队以氮超掺杂石墨烯为例,通过超高分辨球差校正透射电镜对其结构和成份进行了表征,发现氮掺杂分布具有高度均匀的特征。同时,从原子尺度上也证实了氟化退氟处理能够在石墨片的基面上制造高浓度的空位,进而有利于轻质元素的超掺杂。
最后,该合作团队还对氮超掺杂石墨烯的磁、超级电容和氧催化等特性进行了研究,发现氮超掺杂石墨烯均表现卓越。在磁性方面,氮的超掺杂引入了高浓度的局域自旋,有利于自旋间发生强的铁磁耦合,并实现了近室温的铁磁性。此超掺杂技术还有望应用在磷和硅等元素的超掺杂,并对更难以掺杂的低维碳材料薄膜和单纳米器件具有重要借鉴意义,有望进一步推动其在电子学、自旋电子学和储能等领域的基础研究和应用开发。
该项工作是汤怒江副教授/都有为院士团队近年来在低维碳材料磁性研究方向系列工作中的又一重要成果,相关前期成果分别发表在Appl. Phys. Lett. 102, 013111 (2013)Sci. Rep. 3, 2566 (2013)ACS Nano 7, 6729 (2013)等重要学术刊物上。该研究得到了科技部纳米重大研究计划、国家自然科学基金委、中科院等的资助。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_1_41283
 
5、我院举行青年骨干教师代表座谈会
为了让青年骨干教师快速的成长与发展,物理学院于2016年3月2日14:30在唐仲英楼B305会议室召开部分青年教师座谈会。我院院长李建新、党委副书记吴兴龙、副院长王伯根以及十八位青年教师代表出席座谈会,会议由吴兴龙副书记主持。
本次座谈会旨在听取青年骨干教师对教学、科研以及生活各方面的建议,希望大家畅所欲言,学院会尽力帮助各位青年教师解决问题,为其提供更好的学术与文化氛围。
各青年教师代表依次在座谈会上,从自身工作、学习、生活实际出发,对学院高层次人才引进、课题组网站建设、办公及实验室资源、实验室建设、研究生及博士后培养制度、学术交流等方面发表了自己的意见和建议。
学院领导认真听取了每位老师的发言。表示,对各位教师反应的问题,会认真进行梳理,学院能解决的尽力解决,学院不能解决的,会向学校各相关职能部门反映,共同促进学院发展。也鼓励各位青年教师在南大物理学院这个平台上做出更多高水平的科研工作。
(谢亚玲供稿)

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