物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201703 期工作简报(2017-3-28)(院办)

2017年03月29日

 
南京大学物理学院工作简报
第201703期(总第262期)
南京大学物理学院 2017-3-28

 
1、在新型拓扑材料—第二类外尔半金属的研究中取得新进展
我校固体微结构物理国家重点实验室、物理学院、现代工程与应用科学学院材料科学与工程系、南京微结构科学与技术协同创新中心陈延彬、姚淑华和周健研究组在第二类外尔半金属手性反常的研究方面取得重要进展。该结果以《Experimental Observation of Anisotropic Adler-Bell-Jackiw Anomaly in Type-II Weyl Semimetal WTe1.98 Crystals at the Quasiclassical Regime》为题,于2017年3月3日发表在《Physical Review Letters》[118, 096603 (2017)]。
外尔半金属是一种新颖的量子态,其电子的色散关系存在着成对的手性相反的外尔点,这对外尔点可以看成是倒空间中一对正负磁荷(magnetic monopole)。这对磁荷在磁场的作用下发生类似于Zeeman效应的能级劈裂,从而导致不同手性的电子密度的不同。因此,当外加电场与磁场平行时,倒空间中不同手性间的散射由于正负手性Weyl点间的距离增加而导致相应的谷间散射(intervalley scattering)减弱,从而产生了负磁阻效应,既所谓手性反常。图一是在磁场作用下一对手性相反的狄拉克锥在倒空间被拉开的示意图。该效应最早由Adler, Bell和Jackiw在粒子物理中提出(简称为ABJ效应)。最近,该效应在凝聚态物理中的外尔半金属也被观察到。

图一、在磁场作用下一对手性相反的狄拉克锥在倒空间被拉开的示意图。
第二类外尔半金属是外尔半金属概念的推广,其特征是在外尔点附近的狄拉克锥是倾斜的,因此相应的电子色散关系在外尔点附近不满足洛伦茨变换对称性。理论上预言第二类外尔半金属有二个实验特征:(1)外尔点附近倾斜的电子色散关系;(2) 各向异性的负磁阻,即在ab-面仅有一个方向上存在由于ABJ-效应导致的负磁阻。WTe2是第一个理论预言的第二类外尔半金属材料。
由于WTe2的外尔点高于费米能级60 meV,因此需要通过一定方法提高费米能才能在输运实验中观测到ABJ效应。研究组精确控制晶体生长和退火工艺,研制成功WTe1.98晶体并发现了各向异性ABJ-效应:在a-和b-方向均发现了ABJ-效应。图二是WTe1.98晶体沿着a-和b-方向的磁阻随温度、磁场与电场间的夹角间的实验关系。详细的数据拟合证明沿着b-方向的ABJ-效应系数比沿着a-方向的大70%。这个实验结果看似与理论预言的二类外尔半金属特征(2)不吻合,但输运理论分析表明该预言仅适用于理想量子条件,而在经典近似条件下,第二类外尔半金属的ABJ效应仍然是各向同性的。我们的实验结果则正好位于极端量子情况和经典近似情况之间,即处于准经典区域,因此作为一个自然的过渡,我们在a-和b-方向都观察到了ABJ效应,但是b-方向的ABJ效应较强。

图二、ABJ效应导致的负磁阻强烈地依赖于温度以及磁场和电场间的夹角。
实验还发现:温度大于30K时ABJ效应就消失了。其可能的原因是温度导致的拓扑转变。为了证明这个推测,又测量了从20 K到300 K的WTe2晶体的晶格常数变化。利用第一性原理计算证明:外尔点仅在60 K以下才出现,而在60 K以上外尔点处出现了一个非常小的能隙。这充分说明WTe2第二类外尔半金属态对晶格常数/温度异常敏感。
这个工作证明:第二类外尔半金属在准经典条件下会出现各向异性的ABJ效应;对于WTe2材料,其二类外尔半金属态对于温度/晶格常数非常敏感。这些结果展示了第二类外尔半金属材料丰富的物理特性,深化了对第二类外尔半金属材料这一类新的拓扑材料物理的认识。
我校物理学院陈延彬副教授、现代工程与应用科学学院姚淑华和周健副教授为共同通讯作者。物理学院盛利教授、邓伟胤博士生提供了输运理论支持。合肥强磁场中心的田明亮教授、张蕾老师在低温结构测试中提供了实验帮助。工学院级博士生吕洋洋、张滨滨和物理学院硕士生李啸为共同第一作者。本工作得到了国家重点基础研究发展计划(973计划)和国家自然科学基金委项目等基金的支持。
论文连接:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.096603
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_45048)
 
2、温锦生与李建新团队发现量子自旋液体中的Kitaev相互作用
近日,由南京大学物理学院温锦生教授及李建新教授领导的课题组利用中子散射的实验手段结合理论模拟,在真实材料体系中观测到存在于一类新奇量子自旋液体中的Kitaev 相互作用。该研究成果以“Spin-Wave Excitations Evidencing the Kitaev Interaction in Single Crystalline α-RuCl3”为题于2017年3月7日发表于《物理评论快报》[Physical Review Letters 118, 107203 (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。
通常认为量子自旋液体可以利用三角格子或Kagome格子上的几何磁阻挫而产生。 但在2006年,来自加州理工大学的Kitaev提出了一种随后以他的姓氏命名的新的量子自旋液体。他本人也因为相关工作获得了奖金为300万美元的首届“基础物理奖”,以及凝聚态物理领域的最高奖“巴克利奖”(今年与文小刚教授一同获奖)。他定义了一个二维蜂窝状格子上强各向异性自旋模型。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。
由于中子呈电中性,可以深入样品内部,探测材料体的信息;同时中子带有自旋,可以与材料的自旋相互作用,实现对样品自旋动力学行为的探测。所以,非弹性中子散射是研究量子自旋液体最强有力的手段。该工作正是基于这一手段,对一个具有蜂窝状格子的准二维材料α-RuCl3单晶进行了研究。由于该材料的准二维特征,单晶呈片状,质量很小,而非弹性中子散射实验需要的质量很大。温锦生教授团队利用劳埃衍射定向的方法,将100多片薄片单晶进行了定向堆叠,保证它们取向的一致性,获得了1.5克的材料。通过非弹性中子散射对该材料的测量,获得了精确的磁激发谱。
李建新教授领导的理论团队根据第一性原理得到的有关参数,利用强耦合展开,针对该材料提出了一个Kitaev相互作用占主导地位的有效自旋模型,即“K- Γ”模型(有关该模型的详细理论推导,见arXiv:1612.09515)。通过跟实验数据的拟合,发现该模型与实验得到的磁激发谱吻合程度很高,从而确认了Kitaev相互作用在这一真实材料中的存在。
虽然该工作在真实材料体系中实现了Kitaev量子自旋液体所必需的Kitaev相互作用,但因为该材料的基态为磁有序态,距离真正的Kitaev量子自旋液体态还存在一定的距离。该团队将在这方面做进一步的研究。

图1. (a) 实验测得的磁色散能谱,白线是(b)图中的理论计算结果;(c) 磁激发谱在动量空间的计算结果
    论文的前三位作者为共同第一作者,分别是博士生冉柯静与王靖珲(指导老师温锦生教授)、和王巍(指导老师李建新教授)。实验与理论研究分别由温锦生教授与李建新教授团队负责完成。其中,中子散射实验工作由温锦生教授团队在德国慕尼黑工业大学的中子研究中心与澳大利亚的布拉格研究所的谱仪上完成。文章的通讯作者为李建新教授与温锦生教授。
该研究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、教育部新世纪优秀人才计划、江苏省特聘教授、江苏省创新创业人才计划、以及人工微结构协同创新(2011)中心的支持。
(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_45076)
 
3、我校参加美国物理学会年会延揽海外高层次人才
2017年3月15日-3月17日,南京大学人力资源处、物理学院、人工微结构科学与技术协同创新中心联合组建海外人才招聘代表团前往美国新奥尔良,利用美国物理学会2017年年会召开的有利时机,进行海外高层次人才招聘及人才政策宣讲活动。招聘及宣讲的重点活动依托南大、北大、清华、复旦、中科大等五校联合召开“China Night”专场招聘及宣讲会的形式进行。
我校海外招聘代表团在APS年会会场布告栏提前张贴宣传海报并积极向与会学者散发南京大学相关人才招聘政策宣传材料。在“China Night”招聘现场还专门设立了南京大学人才招聘展台,积极宣传南京大学关于高层次人才的引进政策以及物理学院、人工微结构中心的人才需求情况,延揽国际一流人才。学校人力资源处副处长李晓蓉、人工微结构中心管委会主任施毅等在现场与海外学子积极交流,宣传学校最新的关于高层次人才的政策和动态,同时在海外高层次人才最为关注的职称、待遇、考核、博士后招聘等相关政策方面给予清晰解读,让海外学子充分感受到南京大学求贤若渴的诚意。
在“China Night”专场招待会上,物理学院院长李建新专门介绍了南京大学物理学科的历史沿革、发展现状和人才需求,充分展示了南京大学物理学科的人才政策与学科优势,反响积极热烈,受到海外学子的欢迎与好评。
此次海外招聘期间,代表团还精心准备了南京大学人才引进政策宣传材料、预存南京大学物理学院概况和人才需求与政策等文件的U盘以及具有南京大学个性和特点的纪念品,在“China Night”招待会现场发放,获得了很好的宣传效果,“南大的展台是人气最旺的”,不少海外学者甚至是兄弟院校的同仁如是说。
(吴煜昊供稿)
 
4、诺贝尔奖获得者Smoot教授于物理学院开展专题讲座
2016年初,LIGO威名赫赫,传遍世界,人类借助它首次在实验中观测到了“引力波”,并且借此掀起了又一轮对宇宙探索的热潮。时至今日,虽然已经过去了一年之久,但是其音袅袅,依旧不绝于耳。2017年3月21日,诺贝尔奖获得者Smoot先生在南京大学物理学院针对这个问题,做了一场题为“宇宙学研究现状”的报告,精彩纷呈。
报告由物理学院院长李建新教授主持,李院长首先简单介绍了Smoot先生,对他的到来表示了热烈的欢迎。在介绍中,到场的老师和同学不时爆发出阵阵掌声,对Smoot先生的科研工作和贡献表达了敬佩之情。
Smoot先生在表达了对南京大学物理学院的谢意之后,开始了讲座。
什么是引力波?
Smoot教授首先从爱因斯坦的一片论文讲起,介绍了引力波的概念。即两个大质量的物质,比如黑洞在宇宙中圆舞并逐渐靠近互相吞噬之时所产生的大规模的引力场的改变,从而导致了引力的波动。之后教授用生动形象的动画向我们展示了两个黑洞融合过程中的引力波发射。两个黑洞如同在宇宙这个大舞台上的两个舞者,在翩翩起舞的过程中激起空间的涟漪。为了形象起见,教授还修改了在地球上接收到的引力波信号的频率并为我们进行了音频和视频的演示。
探测引力波?理论上容易,做起来难
引力波在提出之时,就激起了一代又一代科学家前赴后继的去探测它,但是由于引力波实际上只引起空间微小的畸变,前几代人的尝试均以失败告终。在讲到前人的尝试时,教授诙谐幽默地用了一张带有特殊“表情包”的图,引发全场的欣然大笑。对于在科研探索中出现的重重困难,大家也自觉地加深了印象。
接着,斯穆特教授讲解了LIGO探测引力波的原理,即利用引力波所产生的空间畸变效应使一边的光程略大于另一边的光程从而产生干涉效应。然而就是这样一个简单的原理实现起来却是异常困难。斯穆特教授向我们详细介绍了LIGO技术上的困难,让我们重新认识了LIGO成功的不易。
我们如何确定那是引力波?
实际情况中的诸多干扰因素,以及宇宙中中子星一类的星体的影响,我们如何确定探测的信号确实是人们梦寐以求的引力波呢?Smoot教授向我们展示了宇宙微波背景辐射的频率、中子星的频率等等一系列可能的干扰信号,然而这都与我们的观测信号大相径庭,而且我们的探测信号与理论符合的很好。教授最后介绍了位于世界各地的LIGO项目,并且重点介绍了位于中国的探测仪器。借助于这些项目的支持,他对宇宙学的未来抱以很大的希望,并且鼓励大家加入到对宇宙物理探测的队伍之中,共同揭开宇宙中的种种谜团。
讲座结束后,同学们热情高涨,纷纷提出了很多问题同Smoot先生进行交流和讨论,教授也都耐心地一一解答。
在最后,教授即将离场之时,依然有同学围拥在教授身旁,展开更进一步地讨论。
在依依不舍的告别中,讲座圆满结束。最后,以Smoot先生的领带,来表达对他和所有投身到科研之中的奉献者们的敬意!
(王寅龙供稿)
 
5、清明节放假调休的通知
根据《校长办公室关于2017年清明节放假调休的通知》(南办发〔20176号)精神,2017年清明节放假调休时间为42日至44日,共3天,其中44日(周二、清明节)为法定假节日;41日(周六)上班。学生41日(周六)上43日(周一)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
44
 
物理楼234
8359324113505178016
刘金生
物理楼129
8359318413913908160
(院办供稿) 
 
 
 
 
 
 

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