物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201712 期工作简报(2017-12-18)(院办)

2017年12月18日

 

南京大学物理学院工作简报
201712(总第271)
南京大学物理学院 2017-12-18
   经学校考核领导小组研究决定,我院参加2016年度考核人员考核结果如下:黄润生、范理、彭茹雯、刘辉、祝世宁、刘俊明、邢定钰、任春来、宋凤麒、于涛、肖敏、王晓勇、吴雪炜、陈年林、陶建成、周非、梁彬、张海军、周舜华、吴煜昊、刘红林、孙建、王玉婷、万建国、郭霞生、缪峰、高惠滨、万贤纲、高文莉、孙为民、谢亚玲、吴迪、邹文琴等考核为优秀;张宇、奚啸翔考核不定等级;其余参加考核人员均为合格。(周舜华)

1、温锦生教授团队在量子自旋液体领域的又一重要进展——在Kitaev体系α-RuCl3中发现了磁场诱导的量子自旋液体相
近日,由南京大学物理学院温锦生教授团队与中国人民大学于伟强教授团队共同合作,通过磁场下的磁化、比热及核磁共振实验,在α-RuCl3中发现了磁场诱导的自旋液体相。该研究成果以Gapless Spin Excitations in the Field-Induced Quantum Spin Liquid Phase of α-RuCl3”为题于2017121日发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 119, 227208 (2017)].
一般磁性材料在低温下磁矩会呈规则有序排列。而对于量子自旋液体这个全新的拓扑量子态则大为不同——该体系电子的自旋即使在绝对零度也呈液体一般的无序状态,并因该特性而得名。有趣的是,虽然自旋无序排列,它们之间却存在着长程的量子纠缠,因此可以被应用于量子通讯及量子计算。同时,有观点认为,高温超导电性是通过掺杂量子自旋液体演化而来的。因此对它的研究有助于高温超导机制的理解。这种新奇的量子态也因此吸引了众多凝聚态领域的研究者。
目前被认为是量子自旋液体的体系一般是建立在三角格子或Kagome格子上的阻挫系统。 2006年,加州理工大学的AKitaev提出了一种定义在二维六角蜂窝状格子上具有自旋1/2的自旋模型,被称为Kitaev量子自旋模型。不同于由于几何磁阻挫导致的量子自旋液体,Kitaev量子自旋液体是由于体系中的量子阻挫导致的。自旋之间的相互作用称为Kitaev相互作用。该模型具有拓扑序,存在非阿贝尔任意子激发。通过对任意子的操作,可以实现量子计算。因此,在实验上找到这种材料具有重大意义。此前,南京大学温锦生教授与李建新教授联合团队利用中子散射的实验手段结合理论模拟,在α-RuCl3材料中首次发现了Kitaev 相互作用[Physical Review Letters 118, 107203 (2017)](详见此前的报道http://news.nju.edu.cn/show_article_12_45076)。但该材料的基态为磁有序态,并不是量子自旋液体态。
为了实现真正的量子自旋液体,南京大学温锦生教授团队对该材料施加磁场进行量子调控,并对磁场下的磁化率、比热等材料宏观性质进行了测量。他们发现随着面内磁场的加大,磁有序态被逐渐抑制,当达到一定值以后,磁有序态消失。为了研究临界磁场以后的磁无序态是否为所期望的量子自旋液体态,中国人民大学的于伟强教授课题组进行了核磁共振实验,通过分析核磁共振谱获得了高场下该材料为量子自旋液体的有力证据。特别是,他们通过分析不同磁场下的晶格-自旋弛豫率发现了在过了临界磁场附近磁场区域晶格-自旋弛豫率与温度的3次方成正比,表明了材料具有狄拉克型的非平庸的无能隙磁激发。综合磁场下的磁化、比热、以及核磁共振结果,温锦生教授与于伟强教授联合团队绘制出了如图1所示的相图,确认了磁有序态在7.5 T左右消失,在临界场附近的无序态为量子自旋液体态。该研究结果大大加深了人们对Kitaev量子自旋液体材料的认识,同时也将促进人们对量子自旋液体这一新奇自旋态的进一步实验探究。

1. (a), α-RuCl3的晶体结构。 (b),磁场与转变温度相图。相图左侧的温度为通过比热与磁化率测量获得的反铁磁转变温度,右侧为通过核磁共振获得的晶格
 
中国人民大学的博士生郑家成与南京大学的博士生冉柯静为文章的共同第一作者,南京大学温锦生教授与中国人民大学于伟强教授为共同通讯作者。温锦生教授团队提供了高质量单晶及高场下的磁化、比热数据,核磁共振实验由于伟强教授团队负责。中国人民大学的刘正鑫副教授及瑞士保罗谢勒研究所的
Bruce Normand研究员提供了理论支持。该项目得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、一流大学和一流学科建设计划、中央高校研究基金、人工微结构协同创新(2011)中心、以及中国人民大学研究基金的支持。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_47925)
 
2、周勇教授课题组在晶面调控增强光催化水分解最新研究成果发表在《Adv. Mater
物理学院周勇教授与大连大学周新教授密切合作,在光催化水分解出氧方面取得重要进展,研究成果以《Polyhedral 30-Faceted BiVO4 Microcrystals Predominantly Enclosed by High-Index Planes Promoting Photocatalytic Water Splitting Activity》为题,于2017122日在线发表在Advanced Materialshttp://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201703119/full。南京大学为第一单位和通讯单位。南京大学物理学院2016届李平博士为第一作者(现工作于南京工业大学)
近年来,Z型光催化材料已经被广泛的用于水的全光解,光解水时光生电子由H+俘获产生H2,空穴由牺牲性溶剂俘获或OH-俘获产生O2。由于释放一个分子的H2要两个电子,而四个空穴才能放出一分子的氧气,因此光催化H2O分解产氧是决定光催化效率的主要因素。因此,研究光催化出氧材料是光催化H2O分解效率提升的一个很好的突破口。BiVO4,由于其较正的价带,是优越的光氧化剂。
周勇教授课题组通过微量金纳米粒子表面吸附方法合成了高能面暴露的BiVO4三十面体结构(图1),并把这种结构首次应用于光催化H2O分解产O2的反应中。BiVO4多面体暴露的高能面为{132}{321}{121}。相对于低指数暴露晶面,高能面暴露的BiVO4多面体展现出优越的光催化H2O分解性能,产氧性能提高了3-5倍。理论研究表明:相对于(010),(110),(101)等低指数晶面,高能面有利于H2O的解离,有更优越的H2O分解出O2过电位(0.11-1.14 V)。高能面暴露的BiVO4三十面体结构在430 nm单色光照下表现出18.3 %的量子效率。

 
1 BiVO4三十面体;(a)电子显微镜照片,(b)对应的模型图。
该工作对设计和制备高效率光解水催化剂具有重要的指导意义。研究受国家973项目,国家自然科学基金,南京大学登峰人才计划(B)等项目资助。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_48072
 
3、王牧教授当选美国光学学会会士
日前,美国光学学会(The Optical Society of American)主席团在华盛顿宣布了2018年度新当选的会士名单,来自全球19个国家的101位科学家和工程师当选。我校物理学院王牧教授因其“在设计金属亚波长微结构用于光的偏振、传播方向和强度,优化其物理性能和推动这些结构在光学和光电转换方面的应用所做出的原创性的贡献”名列其中。
据了解,美国光学学会会士的评选主要考虑因素是科学家个体在科学、工程和技术方面的贡献;或者在光学工程和产业中的领导力,或者是对OSA在全球光学界的服务所作出的杰出贡献。美国光学学会会士每年推选一次。本次当选的101位会士中有6位来自中国大陆。
(郝西萍供稿)

4、
元旦放假及安全检查通知
根据《校长办公室关于2018年元旦放假的通知》(南办发[2017]47号)精神,201811日(星期日)放假一天,2017 12 30 日(星期六)、2017 12 31 日(星期日)正常休息。
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。
  (院办供稿)

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