物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201804 期工作简报(2018-4-16)(院办)

2018年04月16日

南京大学物理学院工作简报

201804(总第275)

南京大学物理学院  2018-4-16


 

1、程建春教授研究团队在利用声学角动量实现高效并行信息传输的最新研究成果发表在Advanced Materials

物理学院声学研究所程建春教授团队利用声学轨道角动量实现多路复用的实时信息传输。该成果以Twisted Acoustics: Metasurface-enabled Multiplexing and Demultiplexing为题,于2018320日在线发表在国际权威杂志《先进材料》上(Adv. Mater. 2018, 1800257)。南京大学江雪博士为第一作者,梁彬教授、程建春教授及新加坡国立大学仇成伟教授为本文共同通讯作者。

以声信号为载体的信息传输在众多领域具有不可替代的重要性,例如深海探测、海底通讯等。由于海水对电磁波的强吸收和散射严重阻碍了电磁通讯在海洋领域的应用,使得声波成为海洋中信息传输的主要载体。高速、海量的数据传递对声信息传输系统提出了巨大挑战,多路复用成为解决这一难题的趋势。然而,现有的基于频率、幅值、相位等自由度的多路复用手段已不能满足日益增长的数据传输需求。与电磁波相比,作为标量波的声波并不具备偏振这一自由度,同时声波的低频率和低传播速度也制约了声信息传输的效率。如何进一步扩展声信息传输系统的带宽,成为亟需解决的关键技术难题。

针对这一挑战,研究团队引入声轨道角动量OAM (Orbital Angular Momentum)这一独立于现有多路复用维度(频率、幅值、相位)的新自由度,打开了声学多路复用的新通道,并首次利用亚波长的声学超表面进行信息解复用,真正实现了纯被动式、基于OAM的动态、高效、大容量声信息传输(如图1所示:基于OAM的声学信息传递技术的原理示意图以及与已有多路复用的对比图)。携带OAM的声涡旋场的螺旋形波前可用 来描述。由于不同拓扑电荷数mOAM构成的希尔伯特空间的正交性和无限性,作为信息载体的OAM态的数目也是无限且相互正交,这有效避免了传输过程中的模式损坏和模间串扰,为基于OAM的声信息传输提供了广阔的可能性。通过引入基于声共振的声学超表面对拓扑电荷数的级联运算,能够仅凭单个麦克风就实现信息的直接读取,而不需要任何的算法分析或后处理过程,这将极大地简化现有声信息传输系统的复杂性。基于此,课题组在实验上成功将图片信息编码于不同OAM态进行实时同步传输,在接收端完美重现出图片信息,并达到几乎100%的传输准确度(如图2所示:实时的图片传输实验结果,图3:将基于声学轨道角动量的信息传输与多载波调制技术结合,进一步提高传输效率)。

该研究为使用多路复用技术进一步提高声信息传输系统的信道容量开辟了新的途径,也为声学超表面的设计和应用提供了新的方向。

1:基于声学轨道角动量的并行信息传输原理示意图以及与已有技术的对比图。


2:利用声学轨道角动量实现的实时图片信息传递。


3:将基于声学轨道角动量的信息传输与多载波调制技术结合,进一步提高传输效率,在实验上成功完成实时图片传输。

(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_48924

 

2、超导量子计算和模拟取得重要进展

超导量子计算和模拟是目前国际前沿热点,也是发达国家和国际大公司激烈竞争的领域。我校于扬教授课题组通过不断努力,近期在量子芯片的加工、量子比特的控制和测量、实验方法等方面都取得突出进展(图1)。最近他们和朱诗亮教授课题组理论和实验紧密结合,在超导量子模拟方面取得重要成果,利用超导量子比特模拟了新型拓扑麦克斯韦金属能带结构。




1:课题组设计加工的多比特量子芯片。

自然界基本粒子的分类是由庞加莱对称性决定。按照量子场论,波色子具有0或整数自旋,费米子具有半整数自旋。近来有理论提出在一些人工量子系统中可以跳出庞加莱对称性的约束,激发的准粒子可以是具有整数自旋的费米子,但至今缺乏实验的直接证据。

最近朱诗亮小组提出一个具有三重简并的新拓扑金属能带结构,称为麦克斯韦金属[Y.-Q. Zhu et al., Phys. Rev. A 96,033634 (2017)]。该能带结构如图2所示,它具有3带结构,特别是具有3重简并。在该3重简并点的色散关系为线性的,因此相应的准粒子激发可以是(赝)自旋为1的相对性费米子,可以证明要用麦克斯韦方程描述,因此被称为麦克斯韦费米子。该3重简并点也因此被称为麦克斯韦点。由于中间平带的存在,当费米能在麦克斯韦点附近时,体系是金属特性。和通常的狄拉克点和外尔点不同,麦克斯韦点具有非平庸的拓扑陈数2,并且体系具有两条费米弧。随着系统参数的变化,麦克斯韦金属发生拓扑相变,麦克斯韦点可以湮灭,变化到平庸的绝缘体。


2: 拓扑麦克斯韦金属的能带结构、相图和拓扑性质

于扬小组通过控制微波频率、强度,对超导量子比特中的四个能级进行了高精度的操控。在此基础上模拟了麦克斯韦金属能带结构,实验模拟到的麦克斯韦金属能带结构见图3,和图2的理论结果高度一致。实验直接探测到了麦克斯韦点,并且在3重简并的麦克斯韦点附近具有线性色散关系的特点也很明显。另外,从理论上也能解释观测到的能谱明亮度的变化特点。特别重要的是,实验直接探测到了包含麦克斯韦点的拓扑不变量,实际测量到的陈数接近±2,这是国际上首次观测到陈数大于1的实验。探测陈数的实验时序、实测的贝里曲率和陈数见图4。其中,实测的陈数在中间区域为±2。从图中也可看出,当改变体系的控制参数从-33 时,陈数经历了从0±2,再到0的变化过程。从而直接验证了参数变化时体系可以实现从拓扑金属到平庸绝缘体的拓扑相变。


3:实验模拟的麦克斯韦金属的能带结构,和图1的理论结果很一致。明显地,在3重简并的麦克斯韦点附近具有线性色散关系。


4:探测陈数的实验时序、实测的贝里曲率和陈数。实测的陈数在中间区域为±2

该成果为利用超导量子比特探索非传统的新型准粒子和能带的拓扑性质创立了一个非常好的平台,同时在凝聚态物理和超导量子比特之间架起了一个重要的桥梁,328日在线发表在物理顶级期刊《Physical Review Letters》上https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.130503,并被选为编辑推荐论文(Editor’s Suggestion)。图5Editor’s Suggestion的配图,反映了体系从拓扑金属到平庸绝缘体的相变过程。


5:编辑推荐的配图,反映了体系从拓扑金属到平庸绝缘体的相变过程。

南京大学的谭新生和华南师范大学的张丹伟是该文的共同第一作者,南京大学的于海峰、朱诗亮、于扬为通讯作者。该工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委的资助。

(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_48925

 

3由我院主编的《物理学大辞典》出版

《物理学大辞典》是北京科学出版社项目《自然科学大辞典系列》的物理学卷部分,该项目被列入新闻出版总署新闻出版改革发展项目库,并于2011年获得国家出版基金支持。自然科学大辞典系列由《数学大辞典》、《物理学大辞典》、《化学大辞典》、《地学大辞典》和《生物学大辞典》等五部分组成。总体目标是集传承性、创新性、实用性于一身,学术价值高、实用性强、科学严谨的大型辞书。

《物理学大辞典》卷由南京大学物理学院负责撰写,主编为都有为院士,主要撰写者为物理学院工作在第一线的教师。从筹备、组织、撰写,审稿到今年正式出版,历时6年。在撰写过程中,得到了我校天文与空间科学学院、化学化工学院和电子科学与工程学院的鼎力支持。同时邀请了复旦大学、中国科技大学和吉林大学的专家学者撰写了有关章节。

本辞典以全国科学技术名词审定委员所发布的有关学科的名词术语作为选择词条的首选参考书,对物理学各领域中的主要名词、术语进行正确和规范的解释,其内容按物理学的各分支学科进行分类介绍:1.力学和理论力学;2.理论物理;3.热力学与统计物理学;4.声学;5.电磁学;6.光学;7.原子与分子物理学(由吉林大学撰写)8.无线电物理学;9.凝聚态物理学;10.等离子体物理学(由中国科技大学撰写)11.原子核物理学;12.高能物理学;13.天体物理学;14.计算物理学;15.非线性物理学 16.化学物理学;17.能源物理学;18.经济物理学;19.生物物理学;20.医学物理学;21.物理学史。除传统的力学、电磁学、凝聚态物理等外,增加了能源物理学、化学物理学、经济物理学等内容。共收录条目10000条,约330万字。

南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_48939

 

4劳动节放假调休的通知

根据《校长办公室关于2018年“五一”国际劳动节放假调休的通知》(南办发〔201816号)精神,2018年“五一”国际劳动节放假调休时间为429日至51日,共3天,其中51日(星期二,劳动节)为法定节假日。52日(星期三)上班。学生428日(星期六)上430日(星期一)的课,教职工428日(星期六)上430日(星期一)的班。

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

51

 

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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