物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201803 期工作简报(2018-3-23)(院办)

2018年03月23日

南京大学物理学院工作简报

201803(总第274)

南京大学物理学院  2018-3-23


为迎接教育部对40万以上大型仪器设备使用情况的检查,国资处39日开始,到我院逐台检查40万以上的大型设备使用情况。(刘红林)

日前,中共中央组织部下发《关于印发第三批国家“万人计划”入选人员名单的通知》,我院朱诗亮教授入选科技创新领军人才。(许跃枫)

319日下午,财务处黄力处长等一行六人来我院进行调研,听取教师的意见和对财务服务的诉求、合理化建议等,并交流了财务服务提升工程改革思路和举措。(院办)

 

1、邹志刚院士当选2018年发展中国家科学院院士

日前,发展中国科学院官网公布了2018年发展中国家科学院(TWAS)院士名单,共有55位来自全球26个国家和地区的学者新当选,中国科学院院士、南京大学教授邹志刚名列其中。

发展中国家科学院(TWAS)每年增选新院士4550名,院士必须由2TWAS院士书面提名,既包括来自发展中国家的科学家,也包括来自发达国家、但对发展中国家的科技事业作出贡献的科学家。一般来说,必须是所在国的院士,才有资格成为发展中国家科学院的院士候选人。新当选的发展中国家科学院院士将在第28届发展中国家科学院院士大会上正式就任。

邹志刚,材料学专家。中国科学院院士、南京大学教授。主要从事能源与环境材料方面的研究。在光催化材料及其在能源与环境中应用的基础研究中,提出了调控光催化材料能带结构的新理论和新方法,发展了新一代可见光响应型光催化材料,拓宽了光催化材料的响应范围,实现了可见光下水的完全分解。通过构建纳米异质结光催化材料新体系,实现了光生电子和空穴对的有效分离,显著提高量子效率和光催化性能。发现了不同污染物间的协同降解新效应,筛选出可实际应用的高效光催化材料体系。模拟植物光合作用实现了利用光催化材料将CO2和水转化为氧气和甲烷等碳氢燃料,拓展了光催化材料的研究领域。曾获国家自然科学二等奖和江苏省科学技术一等奖等。

(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_1_48705

 

2、光学超晶格朱永元教授课题组在无规铁电畴结构倍频成像研究方面取得进展

最近,物理学院朱永元教授课题组和现代工程与应用科学学院秦亦强教授、张超副教授团队通力合作在非线性光学成像领域取得了进展,提出了一种利用二次谐波直接观测无规铁电畴结构的新型方法,并在理论和实验上得到了验证。该研究工作已被Physical Review Letters接收发表(https://journals.aps.org/prl/accepted/0d078Y9fQbc1326161359af1b887f1ccd67a15544

铁电材料由于其压电、热电和光电方面的特殊性质而在许多研究领域中有着广泛的应用。微观结构决定宏观功能,因此对铁电畴结构的表征技术逐渐成为一个热点课题。经过几十年的发展,包括电子显微镜、线性光学成像和非线性光学成像等方法,已经广泛地运用于观测畴结构。然而这些方法在实际研究和应用中仍存在一定局限性,比如说线性光学方法由于正负畴的折射率相同,需要先对样品腐蚀来改变畴壁周围的相关特性,这就对会样品造成损伤;再比如基于TalbotCherenkov效应的一些非线性光学方法,只适用于周期结构或者是需要配合焦点扫描的手段才能成像,无法直接对一般的无规畴结构进行观测。

利用铁电畴畴壁在非线性成像过程中的特殊衍射性质,研究人员提出了一种简单的非线性成像方法,能够直接并实时地观测二维无规铁电畴结构。该工作主要分为理论和实验两部分。理论上主要从衍射方程出发,对铁电畴畴壁的二次谐波衍射特性进行了理论分析,给出了一对正负畴的倍频传输场强分布的解析解,发现畴壁处的倍频像始终呈暗场。通过进一步的理论分析,发现畴壁的倍频像线宽在一定区域内与传播距离的平方根成正比,与正常的远场衍射过程(一次方)相比畴壁像的展宽得到了极大的抑制,为直接成像提供了可能性。在此基础上,将单一畴结构推广到复杂的无规则畴结构,进一步通过数值仿真模拟二次谐波成像证实了传输过程中畴界的近似无衍射性质。该工作的实验部分主要以钽酸锂为例,用900nm的飞秒激光打到样品上,在CCD中可以直接收集到450nm的倍频畴结构像,其中畴界显示为暗场。结果表明,可以在百微米范围内连续观测到畴结构的清晰倍频像,其中衍射效应确实得到了很好的抑制。

这种基于二次谐波的观测方法不需要大型的显微镜设备,也不需要焦点扫描,可以用来无损地实时观测不规则畴结构,其成像质量还有望通过计算机后期数据处理进一步提升,为实现铁电畴的高分辨率成像提供了可能,具有很高的潜在应用价值。

论文第一作者是现代工程与应用科学学院2014级直博生陆蓉儿,张超副教授和秦亦强教授为本文的共同通讯作者。朱永元教授给予本文精细的指导。南京大学是论文唯一署名单位。现代工程与应用科学学院张勇教授、物理学院洪煦昊工程师对实验提供了大力支持。感谢刘冬梅博士、魏敦钊博士生及刘昂博士生的帮助。该研究由国家重点研发计划(2017YFA0303700)、国家自然科学基金、江苏省科学基金项目资助完成,同时感谢人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省高等教育机构优势学科等平台与项目的大力支持。

(洪煦昊供稿)

 

3缪峰教授课题组与袁洪涛教授合作团队在Nano Letters报道二维材料界面超导重要进展

超导作为一种神奇的物理现象,被发现距今已一百多年。由于高温超导机制等还没有完全被理解,超导依旧是凝聚态物理领域最热门的话题之一,人们也一直没有停止探索新兴超导材料的步伐。近年来,随着凝聚态物理实验技术的发展,一些原本被认为不能超导的材料,被发现随着载流子浓度的增加也可以出现超导现象。这其中有一种叫做离子液体门(或电双层晶体管)的技术,可在样品表面集聚极高的载流子浓度,进而诱导新奇的界面超导现象。

二维材料相关领域的研究人员主要围绕二硫化钼为代表的过渡金属硫族化合物的界面超导现象开展研究,相比之下,主族金属硫族化合物能否诱导出界面超导现象还是未知。目前,我校物理学院缪峰教授课题组与现代工程与应用科学学院的袁洪涛教授合作研究团队利用离子液体门技术,调节二硒化锡(一种典型的主族金属硫族化合物)(图a插图上)到超高的载流子浓度状态,首次观测到二硒化锡的本征超导现象。

离子液体由可移动的大的有机正负离子组成,工作原理是通过施加偏压,使对应的离子集聚在样品表面,形成大概1纳米厚的介电层,从而通过形成的超大电容在样品表面诱导超高的载流子浓度(图a插图下)。利用该技术,研究团队对二硒化锡进行载流子浓度调节,在高载流子浓度下(≈1014cm-2),温度在4 K附近时观察到超导现象(图a)。通过施加不同角度的磁场(该角度定义为磁场与样品平面的角度),观察到磁阻具有很强的各向异性(图b),并且发现在平行磁场附近其临界磁场与角度之间满足二维的Tinkham模型(图b插图)。发现在垂直磁场下,温度略低于超导温度时,超导性质处于热激发磁通流动状态;但随着温度进一步降低,器件电阻进一步下降,最后趋于一个与磁场相关的常值。进一步的分析发现,该超导态中的涡流是通过量子隧穿的方式进行蠕动的,该状态也称为量子金属态(图c)。研究团队因此确定观察到的超导为二维超导现象。观察到的很强的各项异性超导性质促使研究团队围绕样品面内和面外的磁阻性质开展了进一步研究,并发现当施加面外磁场时,临界磁场在趋于绝对零度时超过泡利顺磁极限23倍(图d),该现象和电场调节的自旋轨道耦合有关。


(a)二硒化锡超导曲线,上插图为二硒化锡结构图,下图为离子液体门技术示意图;(b)不同角度下的临界磁场,插图为平行磁场附近的数据;(c)不同垂直磁场和温度下的超导相图;(d)平行磁场下不同温度的临界磁场。

近日,该成果以《门调节的1T相二硒化锡的界面超导》(Gate-Induced Interfacial Superconductivity in 1T-SnSe2)为题发表在《纳米快报》(Nano Letters)杂志上(Nano Lett. 18, 1410 (2018))。物理学院博士生曾俊文为论文第一作者,缪峰教授、梁世军副研究员和袁洪涛教授为该论文的共同通讯作者。

该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心的支持,以及国家杰出青年科学基金、科技部量子调控国家重大科学研究计划(青年科学家专题)项目、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接:https://pubsdc3.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b05157

缪峰课题组链接:nano.nju.edu.cn

(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_48622

 

4闻海虎、杨欢教授等发现铁基超导磁通中的分离量子态

对于第II类超导体,当磁场大于下临界场时,磁场会以量子化的磁通形式分布在超导体中,每个磁通量是 h/2e。磁通芯子里面的电子是近乎处于正常态,而外围是超导态。超导体中的磁通在物理和应用上都有重要的研究意义。由于单电子被束缚在磁通芯子内,形成磁通束缚态。早在1964年,Caroli-de Gennes-Matricon (CdGM)就从理论上预言了磁通束缚态应该是分离的量子态,能级大小为Eμ = ± μΔ2/EFμ = 1/2, 3/2, 5/2, …。其中Δ是超导能隙,EF是费米能。在绝大部分超导体中,费米能很大,因此磁通中的分离量子态不同分离能级之间的能量间距很小,从实验上观察到的基本条件(T/Tc<<Δ/EF)很难满足,因此磁通中的分离量子态从理论预言至今没有被真正观测到。

南京大学物理学院闻海虎教授团队在铁基超导体FeTe1-xSex中利用扫描隧道显微镜对磁通态进行了深入细致的研究。他们成功观测到了磁通芯子里面的分离量子态,如下图1所示,观测到了对应能量为+0.45+1.2+1.9 meV,分别对应理论上预言的1/2级、3/2级、5/2级磁通束缚态尖峰。经过仔细分析,他们发现,能够成功观测到这些分离量子态的主要原因是费米能很小,偏离BCS理论的描述。他们工作的意义是首次清晰地观测到了54年前理论上预言的磁通芯子中分离的量子态,并且证明了该铁基超导体具有很小的费米能,对铁基超导机理研究具有重要的推动作用。该工作于近期发表在Nature Communications上面,见【Nature Communications 9, 970 (2018)】。


图1. FeTe1-xSex中观测到的磁通和磁通束缚态。(a) 0.48 K, 4 T下观测到一个较规则的磁通。(b) 沿着图a中的3号线路径测量的隧道谱。在磁通中心附近测量的隧道谱如图(c),可以明显看到磁通CdGM束缚态的分离能级

他们提取出分离量子态的峰对应能量值及强度随距离变化的信息如图2a,b所示。可以看出,束缚态的尖峰强度随着远离磁通中心而减弱,但对应能量几乎不随着距离变化,这与理论预言相吻合,进一步证明了它是分离的磁通束缚态。相关分离量子态的特征在图2d中表现更加明显,在正能一侧,可以清晰地看到三条平行的量子态的峰,直到离开磁通区域才消失。这些特征符合量子极限下的磁通CdGM束缚态。利用0.45 meV作为磁通CdGM束缚态的最低能级,结合超导能隙从1.1 meV2.1 meV,可以计算出对应的费米能级EF1.3~4.9 meV,证明了该材料具有很浅的能带和很小的费米能量,这一点偏离BCS理论的描述,对铁基超导机理的理解具有促进作用。


图2. 磁通束缚态的能量位置及相应强度随距离的关系。(a) E1/2, E3/2, E5/2的尖峰能量位置随距离变化关系。(b) E1/2, E3/2, E5/2的尖峰强度随距离变化图。(c) 过磁通中心的线谱,红线表示磁通中心位置的隧道谱。(d) 过磁通线谱的轮廓图,红色虚线表示磁通中心。

该最新成果是闻海虎教授团队独立完成的。扫描隧道显微镜、隧道谱测试和分析部分是由陈明扬同学、陈晓宇同学、杨欢教授和闻海虎教授完成;样品制备杜增义博士和祝熙宇副教授完成;陈明扬同学、陈晓宇同学为共同第一作者;杨欢和闻海虎为共同通讯作者;闻海虎协调了整个工作进展。相关文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-018-03404-8

此工作得到教育部一流学科建设,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。

(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_48787

 

5、肖敏、张春峰课题组在钙钛矿量子点的暗态研究取得重要进展

钙钛矿半导体APbX3 (A=Cs, MA, FA; X=Cl, Br, I)量子点的高效发光和良好的电输运特性, 在发光二极管、激光器以及量子光源等方面展现出优异的应用前景。由于自旋效应,半导体量子点理应存在激子暗态,可能抑制发光器件的效率,肖敏课题组和众多国际知名研究组同时开展了钙钛矿量子点的暗态动力学研究。最近,IBM苏黎世研究实验室,美国海军实验室等单位结合第一性原理和单粒子光谱, 联合报道钙钛矿半导体量子点的激子暗态高于亮态 (Bright triplet excitons in casesium lead halide perovskites”,Nature 553, 189(2018))。肖敏、张春峰课题组采用瞬态磁光光谱学方法(1)明确发现低温下钙钛矿量子点的暗态存于亮态之下的证据, 并提出利用组分调控暗态的方法,与上述Nature文章意见相左。经过激烈的学术争论,肖敏课题组的结论得到大部分同行的认可,并于近期发表(Nano Lett.18 2074 (2018)) 。这一工作提出了新的观点,为理解这类重要光电材料的基础物理,进一步提升器件性能提供了依据。


图1. 钙钛矿半导体CsPbX3 (X=Cl, Br, I)量子点的激子暗态动力学。(a) 激子亮暗态能级劈裂与卤族元素的依赖关系;CsPbBr3 量子点荧光动力学随磁场(b)和温度(c)依赖关系。

该项工作由物理学院肖敏、王晓勇、张春峰团队独立完成。该论文第一作者为物理学院研究生陈岚同学,肖敏教授和张春峰教授为共同通讯作者,王晓勇教授提供了重要帮助。近年来,该团队围绕着钙钛矿量子点的光物理特性开展了系统的研究,是国际上最早实现钙钛矿量子点单光子源(ACS Nano 9, 12410 (2015)Nano Lett. 16, 6425 (2016))和双光子激发激光器(J. Am. Chem. Soc. 138, 3761 (2016))的课题组之一,并发现其激子跃迁的精细能级(Phys. Rev. Lett. 119, 026401 (2017)),为学界认知这一新型材料作出了重要贡献。

该项工作得到了科技部重点研发计划,自然科学基金委和江苏省杰出青年基金的支持。

(吴雪炜供稿)

 

6、王牧教授和彭茹雯教授研究组成功实现光频等离激元的安德森局域化

物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究组与Argonne National Laboratory黄先荣博士合作,将无序结构进行工程化设计,成功实现了光频等离激元的安德森局域化,他们题为“Strong Localization of Surface Plasmon Polaritons with Engineered Disorder”的论文最近发表于 Nano Letters (2018) 18, 1896-1902页(https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b05191)。


图一、无序光栅结构的扫描电镜图像以及远场光学测量系统的示意图。

自然界大部分物质具有无序结构,波在无序系统中的传播问题是凝聚态物理学的重要课题。1958年安德森(P. W. Anderson) 提出电子在无序系统中会出现局域化现象,并且会导致导体转变为绝缘体,这一现象后来被称为安德森局域化。由于安德森局域化来自无序系统中波的特征,因此这一现象可以推广到其它的各类波,比如电磁波、声波、物质波等。南京大学王牧教授和彭茹雯教授研究组自1998年以来对人工微结构系统中光子和声子的安德森局域化现象进行了持续深入的研究,实现了广义准周期系统中光子和声子的安德森局域化,发现了人工微结构系统中电子、光子和声子的局域与退局域转变,探讨了该效应的光电应用等等。这一系列工作先后发表在 Physical Review B Applied Physics Letters 等杂志上 (PRB (1998) 57, 1544; PRB (2003) 67, 205209PRB (2005) 72, 214301APL (2006) 89, 153114PRB (2007) 75, 165117APL (2008) 93, 011908PRB (2015) 91, 045111)

另一方面,表面等离激元作为一种局域在金属与介质界面上的电子集体振荡,受到了人们的广泛关注。实现表面等离激元的安德森局域化可以将电磁场局域在更小的空间,实现更好的场局域和场增强效果,可应用于实现纳米激光器、超高分辨成像等。然而由于光频等离激元在传播过程中损耗相当大,因而很难在实验上实现并观测到光频等离激元的安德森局域化现象。

最近,王牧和彭茹雯研究组与黄先荣博士合作,在金属薄膜上进行无序光栅结构的工程化控制,设计和制备了两百多个无序结构样品,首次在实验上利用两类远场测量手段,对两百多个无序结构样品进行了精细测量和统计分析,实现并直接观测到了光频等离激元的安德森局域化现象(参见图一和图二)。同时通过建立模型解析分析了表面等离激元在无序系统中的多重散射的行为,证实光频等离激元在无序系统中的安德森局域化来自散射波之间的相干相消。该工作一方面丰富了安德森局域化的物理体系;同时在光子芯片、纳米激光以及光与物质强相互作用等方面具有重要的应用前景,得到了《Nano Letters》评审人的一致好评。例如,评审人认为这是“一个很重要并且有趣的结果”( A very important and interesting result”);“这个工作不仅将吸引等离激元研究群体的关注,同时也会引起工作在光子芯片器件、纳米尺度下量子现象、或许太阳能电池等研究领域的人们的重视”(“The work will attract the attention not only from the plasmon community but also the researchers working in the on-chip photonic devices, quantum phenomena at nanoscale, and maybe solar cell.”)。

此项工作主要由南京大学史文博在其研究生期间完成, 他是该论文的第一作者,彭茹雯、黄先荣和王牧是该论文通讯作者,参与该工作的还有范仁浩和王前进等老师以及刘莲子、徐地虎、张昆和景灏等研究生。该项研究受到科技部“国家重点研发计划”以及国家自然科学基金委重点项目等资助。


图二、随着光栅无序程度逐渐增大,最终实现光频等离激元的强局域。

(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_48827

 

7、我校参加美国物理学会年会(APS March Meeting)延揽海外高层次人才

201733-310日,南京大学人力资源处、南京大学物理学院、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洛杉矶,利用美国物理学会2018年年会(March Meeting)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。人工微结构科学与技术协同创新中心主任邢定钰院士、物理学院祝世宁院士、物理学院及学校人力资源处负责同志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,我校出席招聘会现场的长江学者、青年千人等纷纷现身说法,用自身的经历给予大家清晰直观的解读,让海外学子充分感受到南京大学求贤若渴的诚意和南京大学这片教学科研热土的火热力量。

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,受到了海外学子的欢迎与好评。

此次海外招聘,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盘等宣传材料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。“南大的展台不仅排在最前面,也是是人气最旺的!”现场兄弟单位的同仁们也不由赞叹道。




(吴煜昊、吴迪供稿)

 

8、清明节放假调休的通知

根据《校长办公室关于2018年清明节放假调休的通知》(南办发〔201812号)精神,2018年清明节放假调休时间为45日至47日,共3天,其中45日(周四,清明节)为法定假节日;48日(周日)上班。学生48日(周日)上46日(周五)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

45

 

物理楼234

8359324113505178016

 

物理楼238

8359275218651873732

刘金生

物理楼129

8359318413913908160

(院办供稿)

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