物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201805 期工作简报(2018-4-28)(院办)

2018年04月28日

南京大学物理学院工作简报

201805(总第276)

南京大学物理学院  2018-4-28


 

1、《自然-通讯》发表肖敏、王晓勇课题组纳米晶团簇的单光子发射研究成果

南京大学物理学院、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的肖敏教授、王晓勇教授课题组在纳米晶团簇的单光子发射研究方面取得重要进展,相关成果以“Photon Antibunching in a Cluser of Giant CdSe/CdS Nanocrystals”为题,以南京大学为第一单位发表在2018418日的《自然-通讯》上(Nature Communications 2018, 9, 1536https://www.nature.com/articles/s41467-018-03971-w)。该论文的共同第一作者为南京大学物理学院2013级博士生吕碧沪和博士后张辉朝,第一通讯作者为王晓勇教授,共同通讯作者为肖敏教授和东南大学的张家雨教授。该论文的光学实验工作由物理学院的吕碧沪同学在张春峰教授和王礼鹏同学协助下在南京大学独立完成,该论文的纳米晶团簇样品由南京大学的张辉朝博士和东南大学的张家雨教授共同合成提供。该项研究工作得到了科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划和中央高校基本科研业务费的资助。

由于量子受限效应所导致的尺寸与形状依赖的光学特性,半导体胶体纳米晶长期以来无论在基础研究还是器件应用方面都得到学术界的广泛关注。在激光、发光二极管、光探测器和太阳电池等光电器件中,半导体胶体纳米晶通常被堆积成致密薄膜而存在着相互作用,对由此产生的关联光电行为进行系统的了解和调控将会大幅度地提高光学增益、光吸收/发射和载流子输运等参数指标。常见的相互作用主要包括共振能量转移和电子相干耦合,通常发生在具有纳米尺度距离的几个纳米晶之间,而如何从大密度薄膜中隔离开这样的一个作用体系,从而通过消除系综平均效应来凸显精细的作用机制,长期以来一直是纳米晶光学特性研究领域一个具有挑战性的学术难题。


图1 (a) 大量CdSe/CdS纳米晶团簇的TEM图像。(b)、(c) 单个CdSe/CdS纳米晶团簇的高分辨TEM图像。

在该项工作中,课题组首先合成了大尺寸的CdSe/CdS-壳纳米晶结构,其中CdSe核的直径为4.2 nm,外面包裹的CdS壳为20个单层厚度(每个单层0.35 nm)。通过调节纳米晶外部的钝化配体并采用多次提纯处理,利用表面自由能的最小化和偶极吸引作用,课题组成功实现了纳米晶团簇结构的大批量合成(图1a)。其中每个团簇中包含4-5CdSe/CdS-壳纳米晶(图1b, c),相邻纳米晶较大的中心距离(~20 nm)完全抑制了共振能量转移的发生,而较小的边缘距离(~1-2 nm)使得几个纳米晶电子波函数之间的相干耦合成为可能。采用单粒子光谱测量技术,课题组在室温下观察到单个纳米晶团簇的高效率荧光发射(图2a),而每个纳米晶团簇和单个独立纳米晶相比具有4倍以上增强的光子吸收截面。在4 K低温下,单个纳米晶团簇具有多峰的荧光发射光谱(图2b),分别来自于其所包含的各个CdSe/CdS纳米晶,但同时仍然保持了高纯度的单光子发射特性(图2c),这与4-5个独立CdSe/CdS纳米晶的整体荧光发射几乎不具备单光子特性产生了强烈对比。课题组认为在团簇中纳米晶之间的相干耦合作用下,一个纳米晶中的光生激子可以通过非荧光发射俄歇复合过程将能量传递给相邻纳米晶中的光生激子,导致最后团簇中只有一个纳米晶保存有激子并在跃迁到基态后产生单光子发射。


图2 (a) 室温下多个CdSe/CdS纳米晶团簇的荧光图像。4 K低温下单个CdSe/CdS纳米晶团簇的 (b) 多峰荧光光谱和 (c) 高纯度单光子发射。

该项工作的重要科学意义在于以下三个方面。第一,纳米晶团簇的合成以及其具有的超大吸收截面,不仅实现了低能量注入下的高效率单光子发射,而且为研究单个纳米晶向纳米晶分子过渡中的光电特性演化提供了一个独特的材料平台。第二,将以往单个纳米晶之内激子之间的俄歇复合作用拓展到了多个纳米晶之间,从而为基于大密度纳米晶薄膜的光电器件应用凝练出一个需要重点审视的基本物理过程。第三,单个纳米晶团簇多峰发射所对应的多能级结构以及相互之间的相干耦合,为进一步采用电学或光学方法进行精细调控来实现量子逻辑运算单元提供了新的机遇与可行性。

南京大学王晓勇/肖敏教授课题组长期以来从事半导体纳米结构的单粒子光谱特性研究,为其在光电器件、生物成像和量子信息处理等方面的应用提供学术思路并探索实用化方案。从2012年至今,课题组以南京大学为第一单位、王晓勇教授和肖敏教授作为共同通讯作者发表的文章包括Physical Review Letters 2篇(Phys. Rev. Lett., 2016, 116, 106404Phys. Rev. Lett., 2017, 119, 026401)、Nature Communications 2篇(Nat. Commun., 2012, 3, 1170Nat. Commun., 2018, 9, 1536)、Nano Letters 2篇(Nano Lett., 2016, 16, 2492Nano Lett., 2016, 16, 6425)和ACS Nano 3篇(ACS Nano, 2013, 7, 10654ACS Nano, 2014, 8, 7060ACS Nano, 2015, 9, 12410)。

(吴雪炜供稿)

 

2、程建春教授课题组在Nature Communications发表基于损耗型声超材料实现声波精细操控的工作

最近,我校物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春教授和梁彬教授在声波操控研究方面取得重要突破,最新研究成果以Fine manipulation of sound via lossy metamaterials with independent and arbitrary reflection amplitude and phase为题发表在2018424日的Nature Communications [Nature Communications, 9, Article number:1632(2018), doi:10.1038/s41467-018-04103-0]。论文的第一作者是南京大学博士生朱一凡,南京大学梁彬教授、程建春教授和华中科技大学祝雪丰教授为共同通讯作者。

该工作利用损耗型声超材料首次实现了声波振幅和相位的解耦操控,并通过实验展示高质量单平面二维和多平面三维声全息生成等现象,证明了此类超材料对三维声场的精细操控的能力。与传统的纯相位声全息相比,基于振幅和相位解耦操控的声全息方法具有设计简便、成像质量好和保真度高等重要优势。

三维声场的精细控制是声学领域中长期存在的关键科学问题,在超声成像与治疗、建筑声学及粒子操控等多个领域都具有重要的应用前景。然而,任意一个声信号包含幅值和相位信息,声波的完全控制要求能够对两个自由度进行独立调制,但这仍然是一个具有挑战性的难题。另一方面,能量损耗的存在通常被认为会破坏声波操控效果,因此现有的声超材料研究大都局限于无损耗的声学系统。程建春课题组提出了全新的研究思路,通过人为引入受控的能量损耗,开辟了新的声波操控自由度,发展了损耗型声超材料的设计理论,实现了对声波振幅和相位的解耦调制。所设计的损耗型声超材料具有简单的开孔结构,可利用3D打印进行快速制备。通过在超材料背部设置吸收边界和调控结构参数,引入可控的泄漏损耗,严格证明了该体系中反射声波的振幅和相位可以分别在[0,1][0,2π]范围内进行独立操控,并通过产生高质量的Airy束、多焦点聚焦及声学全息投影,在理论和实验上展示了基于新机制的声波精细操控效果。


图1 (a)声全息重建示意图。(b)LAM声全息示意图。(c)目标全息图像。(d)幅值相位全操控的数值模拟全息像。(e) 传统纯相位法数值模拟全息像。

1对比了幅度相位解耦调控与传统的纯相位调控方法在产生高复杂度声全息方面的能力,幅值相位法声全息具有简单的设计过程(图1a,b),目标像为南京大学校徽图案(图1c)。数值模拟结果证明,通过利用损耗型超材料对幅度和相位进行独立操控,可产生高质量、高保真度的声全息(图1d),不仅避免了繁复的计算机优化设计过程,其效果亦明显优于传统纯相位优化方法(图1e)。


图2(a)目标全息图像。(b)计算振幅相位分布。(c)LAM样品。(d)数值模拟的振幅相位全息图。(e)实验测量的振幅相位全息图。(f)纯相位数值模拟图。(g)相关度与频率的关系。(h)相关度与距离的关系。(i)相关度与背面阻抗的关系。

图3 (a)多平面三维全息示意图。(b)计算振幅相位分布。(c)LAM样品。(d)数值模拟的三个平面的全息像。(e)实验测量的三个平面的全息像。

23分别展示了二维及三维声全息的实验结果。利用损耗型超材料在单个平面上投射出树叶图案的二维声全息像(图2a-c),实验结果(图2d)与模拟(图2e)结果吻合较好,优于传统纯相位方法(图2f),并通过计算相关度来定量分析(图2g-i)。基于此,进一步在实验上实现了多平面的三维声全息(图3a-c)生成,数值(图3d)和实验(图3e)结果展示了损耗型超材料可在三个不同平面上分别投射字母“N”, “J”, “U”

该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划(B类)、江苏高校优势学科建设工程项目和南大博士研究生创新能力提升计划(A类)等项目支持。

(梁彬供稿)

 

3、第五届等离激元光子学前沿国际会议在南京成功召开

第五届等离激元光子学前沿国际会议(The Fifth International Conference on Frontiers of Plasmonics, FOP5)于2018420-24日在南京成功召开。该会议由南京大学物理学院、现代工程与应用科学学院、固体微结构物理国家重点实验室和武汉大学物理科学与技术学院联合承办,南京大学彭茹雯教授、祝世宁院士、武汉大学徐红星院士、美国RICE大学Naomi Halas院士和Peter Nordlander教授共同担任大会主席。来自美国、英国、法国、瑞典、西班牙、韩国、新加坡、以色列等12个国家和地区的70多所高校和研究所的310余位专家和学者出席该会议,其中包括美国加州大学伯克利分校张翔院士、厦门大学田中群院士、瑞典Chalmers University of TechnologyMikael Kall教授、美国加州大学Santa Barbara分校Martin Moskovits教授、台湾大学Din Ping Tsai教授以及一批国内外相关领域的杰出科学家。


图1、FOP5会议部分参会者合影。

421日彭茹雯教授主持开幕式,祝世宁院士代表FOP5组织委员会首先致欢迎辞并介绍FOP5会议组织情况,接着陈延峰教授介绍南京大学固体微结构物理国家重点实验室,然后该系列会议发起人和大会共同主席Naomi Halas院士、Peter Nordlander教授、徐红星院士等回顾等离激元光子学前沿国际会议创办初衷,并高度称赞近十多年中国学者在该领域的出色表现。国家自然科学基金委数理科学部物理科学一处倪培根处长、南京大学人力资源处王振林教授、南京大学科研处秦猛教授、物理学院李建新教授、现代工程与应用科学学院李涛教授等出席开幕式和会议其他活动。


图2、FOP5会议开幕式剪影。

在为期五天的会议中,FOP5会议共举行83场邀请报告,另有116篇论文进行了墙报交流,内容涵盖等离激元光子学和微纳光学相关的众多研究领域,包括量子等离激元、等离激元与物质相互作用、表面/针尖增强光谱、等离激元超构材料与超表面、拓扑光子学、化学生物传感、石墨烯等离激元、等离激元光子器件、近场光学与非线性光学等。此外,会前举办了两场教学性讲座;会议期间评选出15项最佳张贴报告奖,开展了“Meet PRL editor”“Meet NSR editor”等活动。


图3、FOP5会议期间报告场景等。

FOP5会议充分展示了国内外等离激元光子学和微纳光子学领域的最新前沿研究,为相关研究领域的科研人员提供了面对面交流和讨论的平台,同时也研讨了该领域未来发展的创新性思路,获得了参会学者们的一致肯定和好评。该次会议的召开对提升我国在等离激元光子学和微纳光子学领域的国际影响力起到积极作用,同时也将促进该研究领域继续蓬勃发展。


图4、张贴报告的场景以及颁发最佳张贴报告奖等。

FOP5会议受到来自教育部、科技部、国家自然科学基金委、江苏省物理学会、江苏省光学学会、南京大学和武汉大学等资助。在会议筹备和召开期间,FOP5会议秘书组倾注大量时间和精力,物理学院办公室也给予了很多指导和帮助;在会议期间,南京大学物理学院和现代工程与应用科学学院部分研究生担任该会议志愿者,充分展示南京大学学生优秀的素质和夺人的风采。


图5、FOP5会议期间花絮。

(郝西萍供稿)

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