物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201606 期工作简报(2016-7-9)(院办)

2016年07月09日

南京大学物理学院工作简报
第201606期(总第256期)
南京大学物理学院 2016-7-8

 
1、《Phyiscal Review Letters》发表张海军教授课题组Weyl半金属方面的最新研究成果
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张海军教授课题组与清华大学高等研究院姚宏研究员课题组密切合作,在Weyl半金属研究方面连续取得突破性进展,最新研究成果以《Ideal Weyl Semimetals in the Chalcopyrites CuTlSe2, AgTlTe2, AuTlTe2, and ZnPbAs2》为题,于2016年06月3日在线发表Phys. Rev. Lett. 116, 226801(2016)。南京大学物理学院博士生阮佳伟和清华大学高等研究院博士生简少恺为论文的共同第一作者,张海军教授和姚宏研究员为共同通讯作者。南京大学邢定钰院士和斯坦福大学张首晟教授指导了本项工作。
1929年,德国物理数学家H. Weyl预言了一类具有固定手性(左旋或者右旋)的零质量的新粒子——Weyl费米子。然而, 80多年来,人们始终没有在现实世界中发现Weyl费米子存在的踪迹。直到2011年,南京大学的万贤纲教授及其合作者发现在凝聚态中低能激发的能量-动量色散关系可以精确地满足Weyl方程。这种低能激发准粒子就是人们寻找多年的一类Weyl费米子。该理论发现是国际上凝聚态物理研究领域的重大突破,Weyl半金属具有手性反常等新奇物理性质,对低能耗电子器件、量子计算等前沿科技领域具有重要的研究价值。
目前,实验上确认的Weyl半金属只有TaAs系列材料。虽然这类材料在实验上展现了Weyl半金属的多种重要特征,如负磁阻效应、费米弧、高迁移率等,但他们都还不是‘理想Weyl半金属’体系。从理论模型上来说,该类材料的低能电子态起源于复杂的d轨道,没有一个简单的低能有效模型。从实验方面来说,体系中的Weyl点与平庸的体态混合在一起,导致实验上不能准确探测到Weyl半金属的本征特性。
基于第一性原理计算和有效模型分析,课题组前期对HgTe系列经典化合物,包括HgTe、HgSe和部分half-Heusler化合物,进行了深入研究,发现外加轴向压力(或面内张力)可以打开一个体能隙,实现拓扑绝缘体态;然而,轴向张力(或面内压力)并不能打开体能隙,而是得到一类新型的对称性保护的稳定Weyl半金属态。该Weyl半金属态具有多重优点。首先,其低能电子态起源于Te的p轨道,可以由标准的Luttinger哈密顿来描述,为进一步的理论工作提供了一个简洁漂亮的有效理论模型。此外,体系中Weyl点受对称性要求,被限制在kx=0或ky=0平面内,并且Weyl点之间由对称性关系彼此联系,本质为一套Weyl点。特别重要的是,所有Weyl点精确坐落在费米能级,没有与平庸体电子态混合。故而,课题组称这类电子态为‘理想Weyl半金属态’【Ruan et al. Nature Communications 7, 11136(2016)】。
是否存在某种真实的材料体系,在不需要外部应力的条件下,直接实现这种理想Weyl半金属态呢?该项研究工作发现一类黄铜矿结构化合物ABC2(如CuTlSe2, AgTlTe2, AuTlTe2, and ZnPbAs2)可以自然地展现‘理想Weyl半金属态’,不需要外加的应力作用【Ruan et al. Phys. Rev. Lett. 116,226801(2016)】。如果把闪锌矿HgTe取两倍的超包Hg2Te2,那么Hg2Te2成为黄铜矿晶格结构化合物(A=B=Hg, C=Te),故而闪锌矿晶格结构可以看做是一种特殊的黄铜矿晶格结构,见图1。对于一般的黄铜矿化合物,A原子与B原子是不同原子,故而A和B原子围绕C原子形成的四面体不再是正四面体,而会发生畸变。这种结构畸变效应自发地产生一种有效于闪锌矿结构HgTe中的外部轴向压力或者张力。基于第一性原理计算,该项研究发现CuTlSe2, AgTlTe2, AuTlTe2, and ZnPbAs2中自发产生一种有效轴向张力,故而自然实现理想Weyl半金属态。
该项工作进一步推进了该研究团队前期的理想Weyl半金属研究工作,为人们研究Weyl费米子的新奇本征物理性质及其他衍生特性提供了一类理想平台。
研究工作主要得到了国家青年千人计划的资助。
图 1:a和b是黄铜矿晶格结构示意图。a中的δu表示C原子偏离A和B原子构成的四面体的中心。b中标出了晶格结构的二度旋转对称性和镜面对称性。c为动量空间的四对Weyl费米子分布示意图。d为包含四个Weyl点的+kz平面的Berry曲率。e和f为(001)表面的Fermi面和表面态色散。
相关文章链接:
【1】Symmetry-protected ideal Weyl semimetal in HgTe-class materials
Jiawei Ruan, Shao-Kai Jian, Hong Yao, Haijun Zhang, Shou-Cheng Zhang and Dingyu Xing
Nature Communications 7,11136 (2016)
http://www.nature.com/ncomms/2016/160401/ncomms11136/full/ncomms11136.html
【2】Ideal Weyl Semimetals in the Chalcopyrites CuTlSe2, AgTlTe2, AuTlTe2, and ZnPbAs2
Jiawei Ruan, Shao-Kai Jian, Dongqin Zhang, Hong Yao, Haijun Zhang, Shou-Cheng Zhang and Dingyu Xing
Phys. Rev. Lett. 116, 226801(2016)
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.226801
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_42463)
 
2、王牧教授和彭茹雯教授研究组成功实现任意形状衬底上3D金属纳米结构的构建
南京大学物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究组,通过其自主研发的超薄电化学沉积系统,首次成功地实现了任意形状衬底上的三维金属纳米线的构建,他们的题为“Construction of 3D Metallic Nanostructures on an Arbitrarily Shaped Substrate”的论文最近在线发表于《Advanced Materials》(DOI: 10.1002 /adma.201602049);相关链接为:http://dx.doi.org/10.1002/adma.201602049)。
三维(3D)微纳加工技术是实现未来高密度、高效率、低能耗的三维信息存储及处理的基础,是未来信息技术的发展方向。目前的三维微纳加工技术如双光子、氧化铝模板法等受限于成本、效率等因素不适合大规模应用,新的低成本的三维微纳加工技术是目前科学研究和商业应用上的迫切需求。
最近,王牧教授和彭茹雯教授研究组在其独一无二的超薄电化学沉积系统的基础上,引入交变信号叠加于恒压信号进行电化学沉积,结合离子束刻蚀实现了大范围的金属纳米线阵列的制备(参见图一)。通过电化学沉积参数的调制,可以实现对纳米线阵列周期及线宽的精细调控。并且这一独特的电化学沉积技术可以被应用到任意形状的衬底上进行制备,通过设计不同结构的衬底,可以实现特定的三维结构的金属纳米线阵列的构建。如图二显示,他们在光栅结构表面实现了周期起伏的金属纳米线阵列的制备;在粗糙硅片表面,实现了具有较锐尖角的纳米线阵列的制备。通过对衬底结构的设计,他们还可以得到想要的三维空间的纳米线阵列的制备。该方法对于自旋电子学、微电子学具有重要影响,并将激发人们未来三维器件的设计与研究。该工作受到了《Advanced Materials》的评审人一致好评(“The topic of the work was interesting especially with regards to the development of nanofabrication”;“It is really a good job exhibiting both in novelty and paper-writing”;“The work is well done.”)

图一、超薄电化学沉积系统得到钴纳米线阵列示意图及形貌、结构表征

图二、光栅结构和粗糙硅片表面的规则纳米线阵列的构建
此项工作的实验部分主要由南京大学陈飞博士和李井宁硕士完成,他们是该论文的第一和第二作者。于方方、赵地、王帆等同学也参与了该工作。彭茹雯教授和王牧教授是该论文通讯作者,陈延彬副教授帮助测量了样品的透射电镜图。该项研究受到国家自然科学基金委以及科技部的重点资助。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_42645)
 
3、人工微结构科学与技术协同创新中心在探测Majorana费米子方面取得重大突破
日前,南京大学牵头组建的“人工微结构科学与技术协同创新中心”三个成员单位合作在Majorana费米子研究方面取得突破性进展(上海交通大学贾金锋课题组,南京大学李绍春课题组和浙江大学张富春课题组、许祝安课题组)。该团队在国际上首次成功探测到Majorana费米子的零能态和自旋态的双重判据,从而证实了Majorana费米子的存在。相关研究成果以“Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor”为题,于2016年06月22日在线发表在Physical Review Letters [Phys. Rev. Lett. 116, 257003 (2016)]上。南京大学李绍春教授(青年千人),浙江大学张富春教授和上海交通大学贾金锋教授作为论文的共同通讯作者;上海交大博士研究生孙昊桦与南京大学物理学院博士研究生张凯文为此项研究做出同等贡献。

新闻发布会现场合影:从左至右分别是邢定钰院士(南京大学)、李绍春教授(南京大学)、孙昊桦(上海交大)、贾金锋教授(上海交大)、张富春教授(浙江大学)和刘灿华研究员(上海交大)
Majorana费米子是一类特殊的费米子,它的反粒子为其本身,并且遵从非阿贝尔统计规律。 1937年,意大利物理学家Ettore Majorana在理论上预言了Majorana费米子的存在。随后的80多年里,科学家们一直希望能够在实验上观察到Majorana费米子。中微子被认为是一种可能的Majorana费米子,然而实验上探测中微子的本质异常困难。迄今为止,在实验上还没有真正意义上的观察到了Majorana费米子。在凝聚态物理领域,在某些特殊的材料体系中,Majorana费米子可以以一种准粒子激发的形式存在,被称为Majorana束缚态。研究固体材料中的Majorana费米子具有重要的科学意义和巨大的潜在应用价值。找到Majorana费米子,就能为制造拓扑量子计算机提供可能的材料基础,从而使得实现拓扑量子计算成为可能。
2007年,宾夕法尼亚大学的Fu Liang和C.L. Kane等人从理论上预言了三维拓扑绝缘体和s-波超导体的界面处可以存在磁通诱导的Majorana费米子。随后在全世界范围内掀起了研究Majorana费米子的热潮,理论和实验两方面都有长足的进展。很多课题组都在一维或者二维体系中看到了Majorana费米子存在的一个迹象,即零能态。然而,仅仅通过零能态并不能充分证明Majorana费米子的存在。另一个重要的信息是自旋,只有同时测到了自旋特征,才能够作为证实Majorana费米子存在的判据。2014年,Patrick A. Lee和K. T. Law等人在理论上预言了一维系统中Majorana费米子具有自旋选择性的Andreev 反射效应。受到这个工作的启发,贾金锋课题组把这种效应扩展到二维s波超导和拓扑绝缘体构建的拓扑超导体中,希望在原子尺度观察到磁通中心处的自旋选择性Andreev反射效应。
该工作的难点在于,由于Majorana费米子的自旋信号非常微弱,实验必须在极低的温度(30mK)下才能进行,而且测量需要达到极高的精度。该工作的完成不仅需要先进的实验设备平台,而且需要先进的实验技术。李绍春教授在南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室的支持下搭建的30mK扫描隧道显微镜系统,是目前国际上少有的可以完成这个工作的实验设备,并且承担了该研究工作的全部实验。该工作选择由NbSe2和Bi2Te3界面构建的拓扑超导体作为研究体系,在极低温度(30mK)下,利用自旋极化的扫描隧道显微镜,直接在磁通中心测量Majorana费米子的自旋信息。当针尖的极化方向与外加磁场的方向平行时,得到了隧道电流的“高电导态”, 而当针尖的极化方向与外加磁场的方向反平行时,获得了隧道电流的“低电导态”,如图所示。实验结果完全与张富春教授课题组的理论计算结果吻合,从而证实了Majorana费米子的自旋信息。

图:(a) 利用非自旋极化针尖,在零偏压下获得的Bi2Te3 / NbSe2表面磁通的dI / dV 空间扫描图;(b) 利用自旋极化的针尖在磁通中心获得的dI / dV曲线,红色为针尖极化平行于磁场,黑色为针尖极化反平行于磁场;(3)利用自旋极化的针尖在远离磁通处测量的dI / dV曲线

此项研究具有重要意义,在国际上首次同时获得了Majorana费米子的零能态和自旋态的双重判据,从而证实了Majorana费米子的存在,将有利于进一步推进拓扑量子计算的研究和发展。同时,该项重要成果是南京大学组建的“人工微结构科学与技术协同创新中心”一个成功的合作典范。6月22日下午,“人工微结构科学与技术协同创新中心”主任邢定钰院士和南京大学李绍春教授出席了在上海召开的研究成果新闻发布会。
此项研究得到了教育部、科技部、自然科学基金委、青年千人计划、微结构物理国家重点实验室开放课题等的经费支持。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_1_42707)
 
4、暑假工作和安全检查通知
根据“校长办公室关于暑期学校和暑假工作安排的通知”(南办发[2016]30号)的要求,7月4日至8月28日为暑期学校时间和学生暑假时间,教职工自711日开始轮休, 825日正式上班,人事代理人员按合同约定执行。

为加强暑假期间有关工作的组织协调,由鞠艳、刘金生、高惠滨、张文俊、肖林、陈年林、李宁荣等同志组成暑假工作组。请各系/中心对安全工作(包括防火、防盗、网络安全等)予以高度重视,并在放假前进行认真检查,及时消除不安全因素。发现问题请及时上报暑假工作组,严防不测事件发生。

暑假期间,财务工作到校财务处办理。吴健雄图书馆(学校图书馆215室)按学校图书馆的统一部署安排值班时间开放。唐仲英楼、蒙民伟楼、低温楼等处的值班安排另行通知。
物理楼暑假期间仍然实行物业管理,全天候开放。请各系/中心将假期在物理楼工作的教职工和学生名单于放假前送交院办备案。
院办从7月11日至8月24日安排值班,物理楼值班安排如下:
值班时间  上午9:00—12:00 下午15:00—17:00
7月11、12日
许跃枫
物理楼132室
83592059
 
7月13、14日
张亚辉
物理楼126室
83592753
7月15、18、19日
刘 洁
物理楼133室
83596530
 
7月20、21、22日
张文俊
物理楼130室
83597953
7月25、26、27日
姚 舸
物理楼130室
83597953
 
7月28、29日
8月1日
周 安
物理楼126室
83592753
8月2、3、4日
董屹威
物理楼133室
83596530
 
8月5、8日
刘红林
物理楼132室
83592751
8月9、10、11日
王 竞
物理楼124室
83592482
 
8月12、15、16日
王寅龙
物理楼130室
83597953
8月17、18、19日
谢亚玲
物理楼129室
83593184
 
8月22、23、24日
王玉婷
物理楼133室
83596530
吴健雄图书馆(学校图书馆215室)7月20日、8月3日和17日的上午9:00—12:00开放,值班电话83593364。如有特殊情况,请电话预约13851938503。
(院办供稿)

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