物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201605 期工作简报(2016-6-6)(院办)

2016年06月06日

南京大学物理学院工作简报
第201605期(总第255期)
南京大学物理学院 2016-6-6

 
1、《Physical Review Letters》发表我院李绍春教授课题组、陈延彬副教授课题组关于二维拓扑绝缘体的最新研究成果
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李绍春教授与陈延彬副教授合作,在表征二维拓扑绝缘体方面取得了重要进展,相关研究成果以《Experimental Observation of Topological Edge States at the Surface Step Edge of the Topological Insulator ZrTe5》为题,于2016年04月28日在线发表在Physical Review Letters [PRL 116, 176803 (2016)]。南京大学物理学院博士生李向兵,已毕业硕士生黄文凯,和工学院博士生吕洋洋为论文的共同第一作者。李绍春教授和陈延彬副教授为论文的共同通讯作者。南京大学陈延峰教授和邢定钰院士指导了本文工作。邢定钰院士在论文的写作方面给予了大力的支持。其它单位的参与者包括清华大学的薛其坤院士和上海交通大学的贾金锋教授。
 
二维拓扑绝缘体由于具有量子自旋霍尔效应而最近备受学术界的关注。二维拓扑绝缘体的特点是,具有带隙的体能带结构和拓扑保护的一维边界态。在实验上寻找结构稳定的大能隙二维拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域的一个研究热点,致力于提高量子自旋霍尔效应的工作温度。近年来,很多研究工作都聚焦于ZrTe5, 该材料很有可能是一种良好的二维拓扑绝缘体。然而ZrTe5的三维体相的拓扑性质却存在极大的争议。理论计算表明体相ZrTe5是弱拓扑绝缘体或者强拓扑绝缘体,而大量的实验结果显示ZrTe5的体相具有半金属行为。在本工作中,我们首次利用高分辨的扫描隧道显微技术在实空间的原子尺度上精确表征了ZrTe5的体态和边界态,并发现在表面台阶处具有一维的拓扑边界态,而体能带具有100 meV左右的带隙,从而证实了ZrTe5是一种新的大带隙二维拓扑绝缘体。另外,我们还在实验上首次观察到了一维拓扑边界态在磁场下的响应。在外磁场作用下,能量简并的一维边界态发生了能量劈裂。这种边界态在能量上的劈裂与其体能带在磁场下的变化有密切的关系,并且与理论模型相吻合。
ZrTe5材料具有高质量的单晶性和理想的一维表面台阶结构,为进一步研究基于二维拓扑绝缘体界面的奇异物理现象提供了良好的材料平台,比如探寻Majorana费米子或者反常量子霍尔效应等等。图一显示了ZrTe5表面的台阶结构和原子分辨的形貌;图二显示了实验上测量得到的台阶处一维边界态和体带隙。

图一:(a) ZrTe5的晶体结构;(b) 4K下获得的ZrTe5表面的台阶形貌,面积为25x25 nm2;(c) ZrTe5表面的原子分辨形貌,面积为8x8 nm2;(d) 在ZrTe5表面获得的局域态密度信息显示100meV的能隙。
 

图二:(a) 在ZrTe5表面台阶处测量的微分电导(局域态密度);(b) 图(a)的快速傅立叶变换结果;(c) 边界态在不同能量位置的穿透深度;(d) 体相(黑色)和边界处(红色)的局域态密度比较;(e) 边界态沿着表面台阶分布的一维性质。

本工作的完成得益于南京大学在三个方面的完美合作,包括高质量单晶样品的制备(陈延彬、陈延峰),高分辨的低温扫描隧道显微术表征(李绍春)和理论模型的支持(盛利、邢定钰)。
工作得到国家科技部、自然科学基金委、青年千人计划、以及中央高校经费等项目的支持。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_1_41911
 
2、程建春课题组在声学涡旋场的研究方面取得进展
最近,南京大学物理学院声学研究所程建春课题组在声学涡旋场的研究方面取得进展, 最新工作于2016年5月16日作为封面文章(Featured Article)在Appl. Phys. Lett. 发表[Appl. Phys. Lett. 108, 203501 (2016)](图1)。论文第一作者为博士生江雪,共同通信作者是梁彬教授和新加坡国立大学仇成伟。该工作提出了“宽带稳定的声涡旋场发射器”(Broadband and stable acoustic vortex emitter)的设计思想,首次设计出一种宽频带、拓扑数稳定的声涡旋场发射器,并成功地在实验上实现该项设计。

图1 2016年5月16日Appl. Phys. Lett.周刊封面。

对携带轨道角动量、具有螺旋相位分布的声涡旋场的研究,是相关领域的一个研究热点。然而,已有研究中,声涡旋场发射器主要基于利用大量的换能器构成声学阵列、或利用厚度呈螺旋分布的结构。通过繁杂的电路独立控制每个单元的相位延迟,将带来巨大的成本和复杂的操作过程,而单元固有的几何尺寸也限制其在高频范围的应用。利用螺旋分布厚度的原理仅能设计对单一频率有效的涡旋场发射器。同时,由于螺旋状几何厚度的固有限制,使其不能在入射/出射端同时具有平面形状。而平面状、小体积的特点在实际中具有重要价值。此外,已有研究中产生的声涡旋场,仅能够在很短的传播距离内保持拓扑数稳定。
为解决传统设计中的难题,课题组采用了一种全新的物理机制,巧妙地利用结构对声波的衍射作用,设计一种由亚波长螺旋裂缝耦合形成的平面型声涡旋场发射器,并首次在理论和实验中在宽频范围内产生拓扑数稳定的声涡旋场。该声涡旋场发射器的设计具有很大的灵活性,能够通过调整螺旋形裂缝的数目控制涡旋场的拓扑数。此外,该涡旋场发射器的材料选择广泛,结构简单,极大降低了设计与制备的难度,为在宽频范围内产生拓扑数稳定的声涡旋场提供了崭新的设计可能性,不仅对声涡旋场的研究领域有着重要科学意义,更将具有广阔的应用前景。

图2不同拓扑数的声涡旋场发射器原理示意图(第一行)、声场相位分布图(第二行)及声强分布图(第三行)。


图3 不同频率及不同传播距离上声涡旋场相位分布的实验、仿真对比图。

图2为具有不同拓扑数的声涡旋场发射器的原理示意图,以及所产生的涡旋场的相位、声强分布图。图3为不同频率及不同传播距离上涡旋场相位分布的实验、仿真结果对比图,显示该设计能够在宽频带、长距离内产生拓扑数稳定的声涡旋场,且其拓扑数可灵活控制。
该项工作得到国家重大科学研究计划、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家自然科学基金等重大科研项目的支持。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_42148)
 
3、我院“生物医学超声”团队入选2016年度江苏高校“青蓝工程”科技创新团队
    近日,江苏省教育厅发文(苏教办师[2016]1号)公布2016年度江苏高校“青蓝工程”科技创新团队遴选结果。我院章东教授领衔的“生物医学超声”团队是本年度我校唯一获此荣誉的团队。
江苏高校“青蓝工程”是省教育厅为实施科教兴省和人才强省战略而实施的重要人才培养工程。我院“生物医学超声”研究团队在过去10年中先后开展了与高强度聚焦超声治疗、超声诊疗工程方案与器件开发、新型磁-声多功能超声造影剂、超声联合微气泡介导基因转染、模式生物的超声神经刺激等相关的科学与工程问题的研究,逐渐形成了一支有特色、有影响的研究队伍。此次入选江苏高校“青蓝工程”将激励该团队不断创新,积极拓展产学研结合,在下一代高精度靶向超声诊疗、相控聚焦超声、高效生物组织超声消融、靶向药物传递、超声生物效应、无创声操控、神经系统的超声干预等多个具体技术方向上开展工作,研发12种具有完全自主知识产权的精准超声诊疗器械。经过本项目的研究,力争在相关领域形成一定的国内和国际影响。
(郭霞生供稿)
 
4、端午节放假的通知
根据《校长办公室关于2016年端午节放假的通知》(南办发201622号)精神,201669日至11日为端午节法定假日及调休,共3天。其中,69日(星期四,端午节)为法定节假日;610(星期五)调休;611日(星期六)正常休息。612日(星期天)教职工上班,学生上610日(星期五)的课。
各系/中心要在放假前对本单位进行一次全面的安全检查,消除安全隐患,切实做好节日的安全保卫工作。
我院放假期间的值班安排如下(如遇紧急情况,请及时联系):
值班日期
值班人员
值班地点
联系电话
69
吴兴龙
物理楼420
8368630313851519591
 
物理楼238
8359275218651873732
刘金生
物理楼129
8359318413913908160
(院办供稿)
 
 
 
 
 
 
 

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