物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201711 期工作简报(2017-11-13)(院办)

2017年11月14日

南京大学物理学院工作简报
第201711期(总第270期)
南京大学物理学院 2017-11-13

 
1、宋凤麒王伯根课题组利用团簇调控拓扑绝缘体获得单狄拉克通道量子霍尔效应
石墨烯、拓扑绝缘体等近来热点凝聚态体系的核心物理在于狄拉克电子,鉴定狄拉克电子的关键指征之一是半整数序列的量子霍尔效应。然而,由于固体对称性要求非简并的狄拉克锥总是成对出现,狄拉克电子量子霍尔效应实验中都只能看到整数平台。单个狄拉克通道的1/2量子霍尔效应来源于宇称反常,其观测十分困难。拓扑绝缘体的两个狄拉克锥分布在器件的上下两个表面,这给表面独立调控实现单狄拉克通道量子霍尔效应并观测宇称反常带来了希望。
南京大学物理学院、电子学院、中国科学院强磁场科学中心、中国科学技术大学和中科院物理所合作的课题组利用团簇调控拓扑绝缘体获得单狄拉克通道量子霍尔效应。相关研究成果以“Anomalous quantization trajectory and parity anomaly in Co cluster decorated BiSbTeSe2 nanodevices”为题,发表在在Nature Communications (Nat. Commun. 8, 77 (2017))上。南京大学物理学院张帅、王锐两位同学和中科大的皮雳教授为论文的共同第一作者,宋凤麒教授、王伯根教授、张裕恒教授为论文共同通讯作者,中科院强磁场科学中心和中科院物理所李永庆组提供了关键的支持。
    在该工作中,研究团队试图用磁性团簇沉积的方式来调控拓扑绝缘体表面的两个狄拉克通道。他们发现未修饰的拓扑器件在3特斯拉就开始出现量子霍尔效应。此外,即使在单个表面沉积大量磁性团簇拓扑从而彻底破坏时间反演,也并不能抑制拓扑表面态的量子霍尔效应。施加一个27.4特斯拉的强磁场,扫描栅压仍然可以获得5个整数霍尔平台(图1(a))。这揭示了表面态拓扑保护的强健性。尽管拓扑表面的量子霍尔特性无法彻底抑制,但是有可能会由于磁性团簇而发生滞后效应。在这一思想指导下,课题组在一个中等场(7特斯拉)附近仔细调控最终获得了3/2的量子霍尔平台(图1(b))。经过重整化群流图分析,这一3/2平台是下表面单个狄拉克通道量子化的结果。
课题组进一步提出了朗道能级杂化的“滞后模型”来理解实验结果。钴团簇通过与上表面的反铁磁交换,会给表面态打开一个能隙。在磁场下,理论发现交换场能隙使得最低的朗道能级从原来的狄拉克点处移动到这个能隙的顶端。因此当磁场从高场下降时,磁性修饰后的朗道能级杂化过程将被推迟,从而就形成了上表面反常的量子化轨迹(图1(c、d))。同时下表面仍然显现正常量子化特征,这最终导致了上、下表面的量子化过程发生分离,从而实现了半整数的量子霍尔平台。

图1(a)2K和27.4T下的5个量子霍尔平台;(b)7.2T下的3/2量子霍尔平台;(c)钴团簇修饰后的重整化群流分析;(d)钴团簇修饰后的反常量子化轨迹与铜团簇修饰后的轨迹。
这一实现有两个重要的前提。一是经过多年努力,课题组获得了体相绝缘的拓扑绝缘体单晶样品。该工作中绝缘体块材的电阻率已经达到10Ωcm以上的数量级,而且不同厚度的器件表现出接近量级的面电导,这证实拓扑表面态已经主导了样品的输运。通过进一步的样品优化,课题组近来已经实现千分之一的霍尔平台精确度。二是原子团簇修饰的独特性。理论模型指出磁性颗粒修饰打开的能隙起到了拖延上表面量子化的作用,通过计算分析,这个能隙大小至少为4.8meV。
该工作得到人工微结构科学与技术协同创新中心和固体微结构物理国家重点实验室的支持,国家重点研发计划、国家自然科学基金以及江苏省自然科学基金等项目的资助。
(张帅供稿)
 
2、闻海虎教授团队在铁基超导机理研究方面取得重要进展——利用电子驻波相位敏感实验统一铁基超导体能隙和机理的认识
铁基高温超导体自从2008年被发现后,已经将近10年时间了,其超导机理问题仍然没有得到解决。超导机理的核心问题就是关于电子库玻对的成因。铁基超导体作为第二类高温超导家族,有广泛的强磁场应用前景,其机理问题也与铜氧化物超导体一样,构成了当前物理学前沿领域中的重大科学问题。
人们发现铁基超导体的电子费米面形状在不同的系统中有很大区别。早期发现的很多铁基超导体,既有电子型费米面,又有空穴型费米面,因此促使理论上提出了能隙符号反转的模型 (即S+-模型),与磁交换作用导致电子配对的物理图像吻合。然而,最近几年发现的很多新的铁基超导体,不存在空穴型费米面,使得人们动摇了对S+-模型的认可,对铁基超导体能隙的认识一时陷入莫衷一是的状态。闻海虎教授团队首次利用电子驻波的相位敏感实验,发现了没有空穴费米面的铁基超导体仍然具有能隙符号反转行为,因此统一了铁基超导体能隙结构的认识,即超导电子配对均可能来自于反铁磁的自旋涨落效应,对铁基超导机理问题的解决将起到重要推动作用。该工作于2017年10月23日在线发表于Nature Physics [Nature Physics 23 Oct 2017. DOI.10.1038/NPHYS4299.]。
该成果是闻海虎教授小组与美国佛罗里达大学Peter Hirschfeld小组,德国鲁尔大学的Ilya Eremin小组和美国海军实验室的Igor Mazin等理论学家合作完成的,南京大学为第一完成单位。样品生长、基本物性测量、扫描隧道显微镜、隧道谱测试和分析部分是由南京大学完成,部分理论计算由上述的美国和德国理论物理学家完成。文章共同第一作者是杜增义,杨雄,顾强强和Dustin Atenfield博士生和杨欢教授。通讯作者为Peter Hirschfeld和闻海虎教授。闻海虎教授协调了整个工作进展。另外,Nature Physics每年发表的科学研究类型文章数量在200篇左右, 2016年的SCI影响因子为22.8,被认为是物理学最有影响的杂志之一。该篇文章是闻海虎教授在南京大学工作后,发表有南大署名的第四篇Nature Physics文章。
该项研究是基于一种新型的电子驻波相位敏感的探测实验。如果超导态具有能隙符号反转的S+-能隙结构,理论预言超导态的库玻对被无磁性杂质散射后会被拆散成为单电子,在能隙内出现杂质态共振峰,在没有符号反转的的S++配对模型下就不会出现。进一步,由于这些准粒子形成的干涉驻波在空间的相位对能隙的结构非常敏感,连接所关心的费米面的两点(k1,k2)之间准粒子相干散射的傅里叶变换强度的正负能之差,理论上简称为dr-,对于符号反转的能隙(如S+-),应该是共振叠加的;反之,对于没有符号反转的能隙,信号应该非常微弱。为了完成这个实验,闻海虎教授团队进行了两年多的艰辛准备和实验,终于取得突破,获得了能隙符号反转的确切证据。
研究团队工作的第一步是生长出无磁性杂质Zn掺杂的(Li1-xFex)OHFe1-yZnySe单晶样品,并用扫描隧道谱证明这个杂质是无磁性杂质(见图1的说明)。然后,利用准粒子散射技术获得该材料的费米面和能隙大小,这一步在该小组2016年的文章中已经说明 [Z. Y. Du et al., Nat. Commun. 7, 10565(2016)]。之后,关键的一步是测量连结(k1,k2)点之间准粒子相干散射的傅里叶变换强度的实部正负能之差(dr-)。因为牵涉这个物理量的实部,必然包含相位敏感的信息。理论预言该物理量对于 S+-, 应该是共振增强,相反,如果没有能隙符号反转,则信号很弱。研究的结果显示在图2中。实验结果清晰显示此类超导体尽管只有电子费米面,没有空穴型费米面,但是其能隙符号也会出现反转,即S+-。因此他们预测超导能隙大概结构如图2(d)中的一种所示,更倾向于左边的形状。 
本项研究第一次利用相位敏感的实验清楚地说明了在只有电子型费米面存在的铁基超导体中,能隙符号仍然具有反转效应,因此正如文章摘要中说的“该工作统一了有和没有空穴费米面的铁基超导体的机理问题,支持自旋涨落是导致电子配对和超导的关键因素”。
此前该团队发现了同时具有电子和空穴费米面的系统中无磁性杂质诱导的相干态,支持S+-模型 [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(即玻色模),说明铁基超导电子配对与磁相互作用密切相关 [Nature Physics 9, 42(2013)]。目前,他们又发现了不同费米面构型的超导体都具有能隙的符号反转效应,因此大大促进了对铁基超导机理的理解。闻海虎教授小组还在开展深入研究,力争在高温超导机理问题解决的过程中做出最终决定性的成果。
此工作得到教育部985计划,国家重点专项“量子调控项目”,自然科学基金委和2011计划“人工微结构和量子调控项目”的支持,在此表示感谢。
相关文章链接:
1. Zengyi Du, Xiong Yang, Dustin Altenfeld, Qiangqiang Gu, Huan Yang, Ilya Eremin, Peter J. Hirschfeld, Igor I. Mazin, Hai Lin, Xiyu Zhu, and Hai-Hu Wen, Sign Reversal of the Order Parameter in (Li1-xFex)OHFe1-yZnySe. Published on-line on 23 Oct. 2017. Link: http://dx.doi.org/10.1038/nphys4299.
图1. (a) Zn掺杂的铁基超导体(Li1-xFex)OHFe1-yZnySe的表面原子像,一个亮的格点代表一个Se原子,哑铃状的缺陷是Fe位置的杂质;(c)和(d)给出的是在磁场为零和11特斯拉的时候所测量到的扫描隧道谱在空间的变化规律。可以看见在杂质点上面有非常强烈的杂质共振态峰。 (b)显示的是在杂质点上面测量到的磁场为零和11特斯拉的隧道谱,可见峰位置并未随磁场发生移动,说明此杂质是无磁性杂质。
图2. (a) 准粒子相干散射图谱经过傅里叶变换以后的强度的实部正负能之差dr-在散射空间的分布情况,他们关心的物理量是两个圆圈内部的积分总和;(b) 实验测量到的dr-随能量的变化,插图给出了能隙符号反转(S+-)和符号不反转的(S++) 的计算结果。(c) 屏蔽掉相干共振峰以后的结果与理论的对比。(b)和(c)中均可见实验结果与S+- 理论预期很好符合。(d) 根据目前的结果总结的超导能隙情况,能隙符号出现反转,用红色和蓝色各表示不同符号。
(南京大学新闻网https://physics.nju.edu.cn/2017-11/082108_858435.html)
 
3、第20届亚洲第一性原理电子结构计算会议在我校召开
10月30日至11月1日,第20届(2017年)亚洲第一性原理电子结构计算会议(the 20th Asian workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations)在南京大学鼓楼校区召开。来自中国大陆、中国台湾地区、日本、韩国、欧洲、美国等多个国家和地区的400多位计算物理学界的研究者及相关领域的同行与会。
亚洲第一性原理电子结构计算会议始办于1988年,旨在为计算凝聚态物理和材料科学等重大课题的讨论,搭建一个良好的交流平台。本届会议议题主要包括计算物理和计算化学中的研究方法、及其在各类材料体系中的具体应用,兼顾基础物理研究和潜在的工业应用两方面。自创会以来,在亚洲乃至世界的第一性原理电子结构计算的高速发展中发挥着重要作用。会议每年举办一届,迄今形成了由中国大陆、中国台湾地区、日本、韩国等国家和地区轮流举办的传统。二十年来,该会议是第四次在中国大陆举办。本届会议由南京大学物理学院、人工微结构协同创新中心、南京大学固体微结构物理国家重点实验室共同承办。
我院万贤纲教授担任本次会议的大会主席,与张海军教授、舒大军教授共同宣布大会开幕。
开幕式上,南京大学物理学院院长李建新教授向与会嘉宾的到来表示热烈的欢迎。致辞中,李建新教授简要介绍了南京大学、物理学院在相关领域的学术研究情况。李建新院长进一步指出,会议以思想交流与深度讨论为宗旨,希望进一步促进展开交流和合作,推进计算物理的深入发展,并预祝此次会议取得圆满成功。 
本届亚洲第一性原理电子结构计算会议主要围绕三个专题展开——“拓扑量子态新进展”、“电子结构计算理论方法进展”、“新型能源材料最新进展”。
德国马克斯·普朗克固体化学物理学研究所的Claudia Felser教授、密苏里堪萨斯大学物理与天文学系的David Singh、来自内布拉斯加大学林肯分校的Evgeny Y. Tsymbal以及来自斯图加特大学大学的 George Jackeli分别就Thermoelectric properties and topology、Resolving contradictory transport requirements to identify new thermoelectric materials、Predictive modeling of ferroelectric tunnel junctions和Spin-Orbital interplay in Mott insulators四个方面内容做了大会特邀报告,报告精彩,讨论热烈。此外,中国大陆、中国台湾地区、日本和韩国的19位知名专家学者做了邀请报告,具体报告内容涉及计算物理方面的最新进展。

本届大会为期3天,邀请报告共计23项,张贴海报121张。本届会议委员会严格控制邀请报告的数量和质量,保证了大会的效果和质量,瞄准了第一性原理计算的最新研究进展,为与会学者深入交流提供了一个有效地平台,助推计算凝聚态物理和计算材料科学的进一步发展。大会决定下届亚洲第一性原理电子结构计算会议于2018年秋在韩国举行。
(张海军供稿)
 
4\唐仲英楼集中处置废弃物
2017年10月9日,唐仲英楼进行废弃物处置工作。处置工作先在唐楼进行分类回收,然后运至鼓楼校区危险品暂存点仓库,验收过磅入库。处置工作从上午10:30开始,到下午4:00结束。
此次废弃物处置主要处理唐仲英楼化学废液、空瓶和化学污染物。涉及到物理学院、现代工程与应用科学学院和电子科学与工程学院的课题组和老师有:丁海峰,刘晓峻,吕笑梅,缪峰,彭茹雯,宋凤麒,万建国,王炜,闻海虎,吴镝,吴兴龙,于涛,于扬,张春峰,张翼,章东,周勇,祝世宁,郝玉峰,姜校顺,李爱东,刘建国,陆延青,夏亦东,徐挺,姚淑华,张伟华,施毅,徐骏等。
此次处置工作由重点实验室张文俊老师牵头负责,微加工中心黄春玉老师,方芬珍老师,陈莉老师,陆海亮,王世正,韩凯雪,李婷婷全程参加废弃物处置工作。最终,在各个课题组老师和同学的配合下,共处置空瓶169箱(约1.25吨),固体废弃物129箱(约0.6吨),废液61桶(约1.05吨),累计359箱/桶(2.9吨)。
(张文俊供稿) 
 

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