物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201607 期工作简报(2016-9-8)(院办)

2016年09月08日

南京大学物理学院工作简报
第201607期(总第257期)
南京大学物理学院 2016-9-8

7月8日—14日,我院举办了“2016年物理学全国优秀大三学生暑期学校”,来自48所高校的99名本科三年级学生参加;71218日,我院举办了2016 年度教育部全国物理拔尖计划凝聚态物理暑期夏令营,来自11所高校的69名拔尖班学生参加。(张亚辉、应学农)
 
附:
1、李绍春教授课题组首次实现利用应力场调控拓扑绝缘体表面动力学性质
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课题组,与美国能源部的Ames实验室Yong Han, James W. Evans合作,首次成功利用应力场调控拓扑绝缘体Bi2Te3(111)表面的动力学性质,相关的研究成果以“Tailoring Kinetics on a Topological Insulator Surface by Defect-Induced Strain: Pb Mobility on Bi2Te3”为题,近期在线发表于《Nano Letters》。南京大学为第一完成单位,物理学院已毕业硕士生黄文凯为该论文的第一作者,李绍春教授和Ames实验室的Yong Han研究员为论文的共同通讯作者。其他参与者包括南京大学的丁海峰教授和万贤纲教授。

左上图)由分子束外延方法生长的具有表面应力场的Bi2Te3(111)薄膜表面;
(右上图)Pb原子在引入应力场的Bi2Te3(111)表面的吸附行为;
(左下图)Pb在Bi2Te3(111)表面的扩散势垒随应力的依赖关系。
拓扑绝缘体是近年来被发现具有特殊能带结构的新型量子材料,它的体能带具有带隙,但是表面具有拓扑保护的表面金属态。表面态电子具有自旋和动量的锁定关系,因此非磁性杂质很难引起表面态电子的背散射,电子在输运过程中能耗小,从而拓扑绝缘体材料在未来的量子计算等领域具有潜在的应用价值。另一方面,在拓扑绝缘体/其它量子相的异质外延界面处存在着丰富的物理现象。比如,拓扑-磁耦合导致反常量子霍尔效应,拓扑-超导界面处存在Majorana费米子。因此,如何在实验上构建基于拓扑绝缘体衬底的可控界面,无论是在应用领用,还是从基础研究角度都具有重要的意义。
该研究中,李绍春课题组通过精确控制分子束外延生长的参数,在Bi2Te3薄膜的表面成功引入应力场,并且通过几何相位分析定性地获得了表面的应力分布。并进一步以Pb/Bi2Te3为模型体系,研究了应力对表面动力学性质的调控。实验发现在表面的应力拉伸区域,Pb倾向于形成团簇的形式;而在表面的无应力区域,Pb倾向于以单个原子的形式吸附于表面。令人意外的是,通过第一性原理计算发现原子在表面的吸附能和扩散势垒都随着应力呈现一个V字形的依赖关系,最小值位于应力系数为~+0.8%处,而并不是应力系数为0处。实际上,大部分的传统半导体或者金属材料的表面吸附能/扩散势垒都是对应力呈现单调变化的依赖关系。深入的分析发现,这种奇特的V字形依赖关系来源于Bi2Te3的特殊原子层结构。当原子在表面发生扩散时,最外层的晶格Te原子和第二层的晶格Bi原子都会对扩散产生影响,共同作用导致了V字形的依赖关系。基于第一性原理的结果进行的蒙特卡罗模拟给出了与实验完全吻合的模拟结果,从而很好地解释了实验现象。在另一种结构相似的材料Bi2Se3(111)表面,也发现了完全相同的实验现象,表明这种奇特的动力学行为很有可能普遍适用于这一类原子结构的化合物。
该工作的意义在于,首次成功利用应力场调控了拓扑绝缘体表面的动力学行为:吸附能和扩散势垒。表面动力学性质,尤其是表面原子的扩散,对异质外延界面的结构起到至关重要的作用。该工作提供了一种可能的途径,即可以利用应力有效地调控拓扑绝缘体的异质外延界面。另一方面,应力本身对拓扑绝缘体的拓扑性质也有重要的作用,比如应力诱导的拓扑-超导相变等等。这种通过分子束外延方法制备的具有应力场分布的拓扑绝缘体为进一步在原子尺度研究应力诱导的拓扑相变提供了理想的材料平台。
感谢南京大学现代工学院的王鹏教授和物理学院陈延彬副教授在数据分析方面提供的帮助。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。
文章链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b01604
(南京大学新闻网,http://news.nju.edu.cn/show_article_12_42718)
 
2、《Physical Review Letters》刊登程建春教授课题组在声学角动量操控方面研究的重要进展
最近,物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春教授和梁彬教授在声学轨道角动量操控方面的研究取得突破, 最新研究成果以Convert Acoustic Resonances to Orbital Angular Momentum为题发表在2016715日的Physical Review Letters [PhysRevLett.117.034301 (2016)]。该工作与德克萨斯大学奥斯汀分校的张黎昆博士及法国Jean Lamour研究所的李勇博士合作,论文第一作者为博士生江雪,南京大学是第一作者单位。该工作首次提出利用声学共振引入声轨道角动量的新机理,并利用基于该机理构建的人工器件在计算和实验上成功地产生了拓扑阶数m=1的贝塞尔型声学涡旋场,展示了其效率高、尺寸小、设计制备简单、外形平整且不包含螺旋结构等重要特性。
在声学及光学领域中,涡旋场的典型特点表现为沿角度方向螺旋分布的相位,以及对称中心处的零场强,其所携带的轨道角动量(Orbital angular momentum, OAM)通常用拓扑阶数m来表征。近年来对声涡旋场的研究得到了大量的关注,由于所携带声学轨道角动量在众多领域有广泛的应用,包括对粒子的非接触操控等,因而研究声涡旋场的产生与操控机理具有重要的科学意义与应用价值。

1:基于声学共振引入轨道角动量的原理示意图
目前,声学轨道角动量的引入必须依赖具有螺旋分布初始相位的主动声源技术,或使用传播路径在角度方向呈螺旋形状的特殊结构。然而,第一种原理需要大量独立设计的换能器和繁杂的电路控制,带来的高成本和复杂性限制了其在现实中的应用。根据第二种原理所设计的结构则具有庞大的体积和螺旋形的几何结构,且难以达到平整的表面形状。如何利用小尺度、平面状的简单结构来高效产生声学轨道角动量,是一个亟待解决的关键科学问题。

2:拓扑阶数m=1的贝塞尔型声涡旋场仿真结果

3:实验样品照片及实验测量结果
这项工作提出一种引入声学轨道角动量的全新机制,通过在厚度远小于波长的非螺旋状平面声学共振体中产生沿角度方向分布的等效声波矢量,将声学共振转化为声学轨道角动量,并在实验中产生了拓扑阶数
m=1的贝塞尔型声学涡旋场。这一设计思路具有很大的灵活性,能够通过调整声学共振体的几何参数对声学轨道角动量的拓扑阶数进行精确控制。基于这种新原理设计的声学共振结构具有大于95%的高能量透射率、超薄的结构尺度及完全平整和非螺旋状的几何结构,并且其材料选择广泛,结构简单,极大降低了设计与制备的难度。此研究成果为使用微型化、集成化的声学结构产生任意拓扑阶数的声学轨道角动量提供了关键支持,开辟了声学角动量产生与操控的新途径,具有广阔的应用前景。
该工作得到科技部重大研究计划、国家自然科学基金以及南京大学登峰人才计划(B类)的支持。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_42911)
 
3、《Nano Letters》发表周勇教授课题组光催化还原CO2电荷传递机理方面的最新研究成果
周勇教授与中科院大连化物所范峰滔研究员密切合作,在光催化还原CO2方面取得重要进展,最新研究成果以《Construction and Nanoscale Detection of Interfacial Charge Transfer of Elegant Z-scheme WO3/Au/In2S3 Nanowire Arrays》为题,于2016年8月2日在线发表在Nano Letters,http://pubsdc3.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.6b02094。南京大学为第一单位和通讯单位。
太阳能是最洁净而又取之不尽的自然能源。光合作用是绿色植物在光照作用下将二氧化碳和水转化为碳水化合物的过程。对植物光合作用的细致研究发现其主要有两个光系统和一个光合链组成。光系统 II (PS II) 吸收光后发生水的氧化反应,其产生的电子通过传输通道-“光合链”-传递给光系统 I (PS I)。PS I 吸收光能后产生电子,形成具有强还原态辅酶 II (NADP) 用以还原 CO2 生成糖类物质,而自身被由 PS II 传来的电子所还原。电子传递链呈“Z”字形,因此称为 Z 型反应,该反应的量子效率接近 100%。人工模拟光合作用 Z 型光催化体系由氧化反应催化剂(PS II)、还原反应催化剂(PS I)和电子介体组成。在光照射下,Z型光催化体系的两种催化剂均产生光生电荷,PS II的光生电子迁移至电子介体,然后与PS II的光生空穴复合,而PS I中光生电子发生还原反应,PS II中光生空穴发生氧化反应。因此,设计和制备Z型光催化体系成为光催化领域的研究热点。
周勇教授课题组在前期研究的基础上,选择WO3为氧化剂(PS II)、In2S3为还原剂(PS I)以及Au为固态电子介体,组成Z型光催化还原CO2体系WO3-Au-In2S3 (图 1a和1b)。利用开尔文探针技术(Kelvin probe force microscopy,KPFM)研究了该体系中的光生电荷的分离与传输机制 (图 1c)。可见光辐照下,空穴经Au纳米颗粒从In2S3的价带传递到WO3的导带,并与WO3导带中的光生电子复合。同时,光生电荷的荧光寿命谱也表明,WO3-Au-In2S3体系中的光生电子具有较高的荧光寿命。由此,利用Au电子介质,WO3与In2S3之间具有良好的界面接触,有力促进WO3与In2S3之间的光生电荷快速迁移,使Z型光催化体系WO3-Au-In2S3中的光生电子与空穴能够有效分离与传输,并保持较强的氧化还原能力。

图1 Z-Scheme WO3-Au-In2S3: (a)结构示意图, (b)电子显微镜照片,(c)开尔文探针技术工作原理图。
光催化还原CO2的实验结果表明,WO3-Au-In2S3具有较好的光催化活性,可见光下将CO2还原为CH4。借助双光子激发过程,在WO3与In2S3上分别发生氧化反应和还原反应,两者只需分别满足各自的光激发过程和对应的半反应,降低了光催化反应的热力学要求。此外,氧化反应和还原反应过程相互分离,有效抑制逆反应的发生。
该工作将帮助研究人员理解Z型光催化反应体系的光生电荷分离与传输机制,对未来高性能Z型光催化反应体系的研发和利用具有重要指导意义。研究受科技部973、国家基金委、江苏省杰青和南京大学登峰计划(B)资助。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_43035)
 
4、“第二届凝聚态物理会议”在南京顺利召开
2016年7月20日,“第二届凝聚态物理会议”在南京金陵会议中心隆重开幕。此次大会由南京大学物理学院、人工微结构科学与技术协同创新中心、中国科学院物理研究所联合主办。来自全国两百四十多个科研院所的近千名与会者济济一堂,出席此次盛会。南京大学物理学院院长李建新教授主持开幕式并宣布大会开始。
中国科学院院士、南京大学常务副校长吕建教授代表南京大学欢迎来自海内外的各位专家学者,向长期以来关心支持南京大学建设发展的各位领导和学术同仁表示衷心的感谢,并祝贺大会的成功举办。吕校长强调,凝聚态物理学是物理学科中最重要的分支领域,也是南京大学的优势学科。在当前“世界一流大学和一流学科建设”的大背景下,这样一次高水平的学术盛会在南京大学召开,必将对南京大学物理学科及相关学科的发展起到强大的推动作用。
中国科学院院士、人工微结构科学与技术协同创新中心主任邢定钰教授代表协同创新中心和南京大学物理学科热烈欢迎前来参会的各兄弟院校和科研单位代表。他认为我国的凝聚态物理学近年来已经在若干领域取得了重要突破,逐步跻身世界先进水平行列。这次大会旨在配合凝聚态物理学在中国的迅速发展和国际地位的全面提升,进一步加强实验和理论工作者的交流与合作,相信会大力推动我国凝聚态物理学科的进一步发展。
上午的大会邀请报告由中国科学院院士、中科院物理研究所向涛教授主持。中国科学院院士、中国科技大学郭光灿教授、美国普林斯顿大学Bogdan Bernevig教授和美国罗格斯大学Sang-Wook Choeng教授分别就当前凝聚态物理领域的前沿热点问题,做了精彩纷呈的报告。
本次会议共计安排了三百余个学术报告,涵盖了超导与强关联电子系统、磁学与多铁物理、固态量子信息与计算、计算凝聚态物理、低维与人工微结构物理、新能源材料、软凝聚态物理及其交叉科学、拓扑量子系统、冷原子物理与量子模拟和量子多体等十个领域,并展出了100份张贴论文。各分会场报告在金陵会议中心的十个报告厅中进行。
21日晚,大会邀请美国物理学会物理评论系列杂志、英国物理学会系列杂志和中国物理学会系列杂志编辑就各自杂志推广进行介绍,并和与会代表就编辑和评审等问题进行了交流。
22日下午,国家自然科学基金委物理一处张守著处长在闭幕式上做了“从基金申请看凝聚态物理的机遇与挑战”大会邀请报告,得到与会代表的热烈欢迎。
(谢亚玲供稿)
 
5、魏荣爵院士诞辰百年纪念活动暨魏荣爵基金设立仪式举行
9月4日,魏荣爵院士诞辰百年纪念活动暨南京大学魏荣爵基金设立仪式在南京大学鼓楼校区举行。魏荣爵院士亲属代表唐章敏女士、魏漪华女士、魏澜华女士、杨春先生,南开大学葛墨林院士、华南理工大学吴硕贤院士、哈尔滨工程大学杨士莪院士,瑞声科技名誉主席、南大校董会名誉董事长潘中来先生,歌尔集团、小米科技、三诺电子、魅族科技等捐赠企业代表,南京大学校长陈骏院士,张淑仪院士、孙义隧院士、郑有炓院士、龚昌德院士、都有为院士、邢定钰院士、王广厚院士,南京大学副校长薛海林以及相关部处负责人、物理学院师生校友代表,国内相关院校、研究所声学界同仁,魏荣爵先生同事及学生代表等百余人参加活动。活动由南京大学物理学院院长李建新主持。
陈校长在致辞中表达了对魏荣爵先生的缅怀与敬意,代表学校向魏先生亲属致以诚挚的问候,对来自五湖四海的朋友表示热烈的欢迎。他指出,魏荣爵院士不仅是杰出的物理学家、声学领域的大师,更是一位伟大的教育家,魏先生从事声学研究和教育事业六十余年,桃李满天下,有十余名学生成为中国科学院院士,他为中国和世界培养了一批又一批优秀的声学人才。魏先生的一生彰显了老一辈教育家艰苦创业的精神和爱国爱校的情怀,这些都是南大人永远的精神财富。陈校长希望所有南大人能继承和发扬魏先生求实创新的学风、无私奉献的品格,在南京大学创建世界一流大学、一流学科的征途上做出更大的贡献。
南京大学张淑仪院士、魏澜华女士分别以学生、同事和亲属的身份分享了魏先生的科研成就和学术贡献,回顾了魏先生在学业、治学中的点点滴滴,追忆了魏先生在工作和生活中体现的伟大情怀。南京大学声学研究所所长章东介绍了南大声学研究的发展历程和近期取得的成果。
为纪念魏荣爵院士诞辰一百周年,弘扬魏先生一生致力于科学研究和教育事业的崇高精神,激励新一代南大人奋发向上、在科研和教育领域再立新功,魏荣爵院士亲属、社会热心企业和个人,南京大学物理学院师生校友在纪念活动上倡议发起成立了“南京大学魏荣爵基金”。薛海林副校长为发起捐赠魏荣爵基金的瑞声科技、歌尔集团、小米科技、三诺电子等企业代表颁发了南京大学捐赠证书,并与魏荣爵先生亲属代表共同为“南京大学魏荣爵基金”成立揭牌。
活动当天还举行了纪念魏先生诞辰一百周年座谈会、“科学与创新”专场报告会和魏荣爵基金理事会议。理事会选举产生了魏荣爵基金第一届理事和理事长,同时就魏荣爵基金未来一段时间的使用方向和对师生进行奖励的标准进行了研讨。
魏荣爵先生是我国著名物理学家、中国科学院资深院士、中国声学事业的奠基人之一,也是南京大学声学学科的创始人。魏先生毕生奉献于我国声学教育与科研事业,在大气声学和微粒声学、语言声学和声信号处理、建筑声学和电声学、分子声学和微波声学、物理声学和非线性声学、低温声学和量子声学等方面均做出卓越贡献。据悉,此次成立的魏荣爵基金将专门用于南京大学物理学院特别是声学学科的发展。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_5_43193)
 
6、中秋节、国庆节放假的通知
根据《校长办公室关于2016年中秋节、国庆节放假的通知》(南办发〔201642号)精神,2016年中秋节放假时间为915日至917日,共3天,教职工918日(星期日)上班,学生918日(星期日)上916日(星期五)的课。国庆节放假调休的时间为101日至107日,共7天,教职工108日(星期六)、109日(星期日)上班。学生108日(星期六)上106日(星期四)的课,学生109日(星期日)上107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
9月15日
吴兴龙
物理楼420室
83686303,13851519591
鞠 艳
物理楼238室
83592752,18651873732
刘金生
物理楼129室
83593184,13913908160
10月1日
吴兴龙
物理楼420室
83686303,13851519591
10月2日
鞠 艳
物理楼238室
83592752,18651873732
10月3日
刘金生
物理楼129室
83593184,13913908160
(院办供稿)
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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