物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201710 期工作简报(2017-9-26)(院办)

2017年09月26日

南京大学物理学院工作简报
第201710期(总第269期)
南京大学物理学院 2017-9-26

 
914日,我院安全工作领导小组,到唐仲英楼、低温楼、声学楼、科技馆等处进行了安全管理自查,并及时指出了发现的问题。918日,学校安全检查组,对唐仲英楼进行了重点抽查,并指出了存在的安全隐患和不规范的问题。(院办)
 
1、Phys.Rev.Lett.发表物理学院介电体超晶格实验室课题组研究成果
南京大学物理学院刘辉/祝世宁课题组联合厦门大学陈焕阳课题组,利用共形变换光学理论,在实验中得到了光束的自聚焦和共形Talbot效应,并演示了其在数字编码方面的潜在应用价值。相关研究成果发表在Phys. Rev. Lett. 119, 033902 (2017)上,并被编辑选为推荐论文。
通常情况下,光在平直时空中沿着直线传播。而根据爱因斯坦广义相对论,光子在弯曲时空中沿着曲线传播。与之类似,非均匀介质中光子的轨迹也是弯曲的。基于这种相似性,人们提出了变换光学的方法,在微结构材料中通过模拟弯曲时空控制光子的传播,实现各种光学器件。作为变换光学的分支理论,共形变换光学(Conformal Transformation Optics: CTO)正逐渐受到人们的关注,因为共形变换光学仅要求材料非均匀但各向同性,实现起来比较容易。
早在1854 年,J.C. Maxwell就研究了著名的Maxwell 鱼眼透镜,但在实验上很难实现。该团队利用共形变换光学理论,将Maxwell 鱼眼透镜通过指数共形变换映射到物理空间,并结合黎曼页支割线分析(图(a)),得到了Mikaelian透镜。团队中博士生王向阳借助于聚合物溶液表面张力自组织过程,精确地制备出了共形变换光学波导——Mikaelian透镜,并且同时演示了几何光学条件下的自聚焦特性和类Sine曲线。另一方面,Talbot效应是指当周期性物体被相干光照射后,在物体后方一定区域该物体的图像会周期性地出现的现象,因此又称为自成像或者无透镜成像。该现象于1836被Henry Fox Talbot首次发现,于1881年被Lord Rayleigh 首次从理论上解释。传统的Talbot效应由于光源尺寸有限,只能在物体后方一定区域内产生。因为随着传播距离增加,边界衍射效应变得突出,就无法再现物体图像。但是在该团队利用共形变换光学波导实现了非衍射的Talbot效应(图(b)),可以将图像无损耗地传递到远方。更为有趣的是,通过进一步研究,发现该器件在数据编码方面具有潜在的应用价值,可以利用Talbot 效应进行信息编码并将信息无衍射地长距离传输(图(c))。该工作证明了共形变换光学材料在光子集成芯片技术方面的广阔应用潜力。
(a) 黎曼面上光线的传播;(b) 共形Talbot效应的实验照片; (c) 共形Talbot效应的数字编码功能演示。
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,国家自然科学基金重大项目、杰出青年基金和科技部量子调控项目的资助。
(刘辉供稿)
 
2、ATLAS实验首次观测到Higgs粒子最主要的衰变过程--南京大学ATLAS实验团队做出重要贡献
在今年7月5-12日于意大利威尼斯举行的欧洲物理学会高能物理分会(EPS-HEP)上,欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)上的ATLAS实验宣布观测到Higgs粒子衰变到底夸克对(Hbb)的过程。结合 2011至2016年共两期质子质子对撞数据, 观测到的信号显著性为 3.6倍标准偏差,即统计学上该信号是本底噪声的概率几乎只是万分之一。这是2012年发现Higgs粒子以来,LHC实验最重要的物理成果之一。南京大学陈申见教授课题组是最早参与Hbb研究的中国团队,是该物理分析过程的核心成员。 
        在粒子物理学的标准模型理论中,Higgs粒子与所有有质量的基本粒子耦合,负责这些基本粒子的质量起源,因此又称“上帝粒子”。标准模型预计,近六成的Higgs粒子会衰变到底夸克对,是Higgs粒子的首要衰变过程,因此Hbb过程对于测量Higgs粒子的寿命进而了解其性质至关重要。然而2012年发现Higgs粒子后的数年时间内,该过程一直未被观测到,其原因在于,在大型强子对撞机上Hbb信号过程很难同其他本底过程相区分,本底噪声是信号的一千万倍。在如此巨大的本底噪声中找出信号是一项极具挑战性的任务。为了解决这一问题,科学家们在Higgs粒子与W或Z粒子同时产生的过程中寻找Higgs粒子衰变到底夸克,利用W或Z粒子衰变产生的轻子和中微子导致的丢失横动量以区分信号和其他本底过程。经过历时五年多的努力,ATLAS实验终于观测到了这一重要的物理过程。在7月份的 EPS-HEP会议上报道了该实验结果后,立刻引起广泛关注,被选为本次会议最重要的结果(Highlight)。  

图:扣除本底后的(黑色)实验数据点,显示了 H→bb 信号(红色直方图)和作为重要验证的 Z→bb 过程(灰色直方图)。(图片来自: ATLAS 合作组/CERN)
陈申见教授课题组的博士生张雷,在2011年博士毕业后就加入了ATLAS实验,从事Higgs粒子衰变到底夸克的寻找。课题组还与台北中央研究院联合培养博士研究生王超和王蔚。王超博士在2012年开始作为实验精度最高的“Higgs 协同Z粒子产生(Z粒子衰变到中微子)子课题组”的主力,参与了基于ATLAS一期实验数据的Hbb过程的研究,于2016年获得博士学位。在读博士生王蔚,从2014年起参与基于ATLAS二期实验数据的Hbb过程的研究,对分析方案的优化,以及关键的底夸克喷注标定和电子学触发选择等方面做出了重要贡献,并担任了内部支持文档的撰稿人(Editor)。从2012年至今,历时五年多,实验结果的信号显著性从2012年不到0.5倍标准偏差改进到现在3.6倍标准偏差。下图展示的是底夸克对不变质量谱,从中可以观察到Higgs粒子衰变到底夸克对的共振峰信号(红色直方图),同时,也可以看到已知的 Z玻色子衰变到底夸克对的过程(黑色直方图),这是Higgs粒子衰变到底夸克对研究的一个关键验证。
Higgs粒子衰变到底夸克对的发现是研究Higgs粒子与夸克相互作用的开始,将为Higgs粒子性质研究提供一个全新的窗口。对这个衰变道的实验观测将填补我们在Higgs物理相关的未知领域,证实Higgs机制负责了夸克质量的产生,也可能为我们寻找超出现有理论的新物理学提供提示。除了标准模型Higgs粒子衰变到底夸克对的研究,陈申见课题组还将研究方向延伸到了超出标准模型新物理的寻找,如额外Higgs粒子的寻找,以及Higgs粒子衰变到暗物质的寻找等重要研究方向。自2011年LHC正式运行以来,陈申见课题组参与发表了多篇相关的研究论文,包括八篇 CONF Note和六篇期刊文章。 
本课题的工作得到自然科学基金重大国际合作与交流、基本粒子与相互作用协调创新中心、中国科学院卓越创新中心的资助。 
相关链接:
 
3、《Advanced Materials》发表汤怒江教授/都有为院士团队在三维石墨烯网络的氮元素超掺杂方面的研究成果
物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省纳米技术重点实验室的汤怒江教授/都有为院士团队与中科院金属研究所合作,在三维石墨烯网络的氮元素超掺杂研究中取得进展,相关研究成果发表在Advanced Materials 29, 1701677, 2017)上。我校物理学院2014级直博生张维利及其导师汤怒江教授完成了主要实验工作,中科院金属所合作团队的任文才研究组进行了超电性能表征等工作。汤怒江教授和中科院金属所任文才研究员共同提出了该研究的学术思想,并对整个研究工作进行了指导,组织与协调。汤怒江教授与任文才研究员为论文共同通讯作者。

大量理论和实验研究均表明,氮掺杂可改变石墨烯的电子结构,并改善其物理化学性质,进而极大地拓展其应用。但由于氮元素只能掺杂在石墨层的空位位置处,加之空位浓度有限,使轻质元素的掺杂浓度较低。2016年该合作团队在国际上首创了轻质元素超掺杂技术,成功地解决了这一长期存在的难题(Nature Communications 7, 10921, 2016)。该技术不仅可以获得超高的氮掺杂浓度,而且还能精确控制其掺杂浓度。
石墨烯由于其独特的物理和化学性质,被广泛的应用到超级电容器领域。一般来说,作为性能优越的电容器材料,要求该材料具备大的比表面积、高的导电性、高的活性位点和良好的浸润性。目前,为了克服石墨烯在制备过程中容易坍塌而导致暴露在电解液中的有效的比表面大大降低的不足,研究人员致力于制备三维石墨烯多孔材料。然而,化学自组装方法制备的三维石墨烯多孔材料导电性差, CVD方法制备的石墨烯三维网络虽然导电性好,但缺乏活性位点和好的浸润性。近年来,氮掺杂被大量实验证明能有效提高石墨烯的活性位点和浸润性,进而改善其超级电容器性能。但是,相比于化学剥离法制备的含有大量缺陷的石墨烯纳米片,CVD方法制备的三维石墨烯网络高的结晶质量使得氮掺杂异常困难。本研究在中科院金属所合作团队提出的石墨烯网络/氧化石墨烯气凝胶嵌套杂化网络结构基础上(Advanced Materials 28, 1603, 2016),合作团队借助于轻质元素超掺杂技术,设计并合成一种氮掺杂量高达12 at%的氮元素超掺杂三维石墨烯网络。结果表明,该三维体系同时具备高的导电性(3.33 S cm-1)、大的比表面积(583 m2 g-1)、丰富的活性位点与良好的浸润性。基于该材料制备的电容器具有高达380 F g-1的比电容、长久的循环寿命(4600次循环充放电衰减为6.3%)及高的功率密度等优异性能。
该项工作是汤怒江教授/都有为院士团队近年来在低维碳材料研究方向系列工作中的又一重要成果。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院、江苏省纳米技术重点实验室等的资助。
(汤怒江供稿)
 
4、中秋节、国庆节放假的通知
根据《校长办公室关于2017年国庆节、中秋节放假的通知》(南办发〔201735号)精神,今年国庆节、中秋节放假时间为101日至108日,共8天,教职工930日(星期六)上班,学生930日(星期六)上105日(星期四)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
10月1日
黄 奇
物理楼234室
83593241,13505178016
鞠 艳
物理楼238室
83592752,18651873732
刘金生
物理楼129室
83593184,13913908160
10月2日
黄 奇
物理楼234室
83593241,13505178016
10月3日
鞠 艳
物理楼238室
83592752,18651873732
10月4日
刘金生
物理楼129室
83593184,13913908160
(院办供稿)

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