物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201807 期工作简报(2018-7-5)(院办)

2018年07月05日

南京大学物理学院工作简报

201807(总第278)

南京大学物理学院  2018-7-5


523日,南京大学在仙林校区召开2017年度学生工作总结表彰会。会上,宣布了《关于表彰2016-2017年度学生工作先进集体2017南京大学辅导员年度人物的决定 》。我院获得学生工作先进集体,周安获得辅导员年度人物,这也是全校唯一一个获得此殊荣的研究生辅导员。(院办)

628日,南京大学在仙林校区召开庆祝中国共产党成立97周年暨表彰大会,庆祝党的生日,表彰先进集体和优秀个人。我院温锦生被授予“优秀共产党员”称号;物理学院党委现代物理学系党支部和本科生党支部受到通报表扬。(院办)

 

1、闻海虎教授团队在拓扑超导方面取得重要进展Bi2Te3/FeTe0.55Se0.45异质结中诱导并观察到二度对称性超导

拓扑超导是目前凝聚态物理领域中一个非常重要的研究方向。该方向受到广泛关注的主要原因是因为人们预期通过调控拓扑超导态,包括调控此状态下出现的马约拉纳费米子(Majorana),实现新一类的量子计算。而实现这个目标的关键一步是获得具有三维属性的拓扑超导态。根据理论上的定义和要求,拓扑超导态的超导能隙必须具有满足时间反演不变的奇宇称配对对称性。其典型特征之一是超导能隙具有二度对称性。自然界中已知的具有这种对称性的超导体非常稀少,通常在掺杂的拓扑绝缘体和拓扑绝缘体/超导异质结中实现。

南京大学物理学院闻海虎教授和杨欢教授等成功构造出Bi2Te3/ FeTe0.55Se0.45异质结,并利用扫描隧道显微镜对超导态进行了深入研究,首次直接观测到具有二度对称性的超导能隙和与之相对应的拉长的超导磁通。他们确定了超导能隙函数的具体形式,发现与理论预言的某一种拓扑超导态相吻合。该工作于201868日在线发表在Science子刊【Science Advances 4, eaat1084 (2018)】上。正如此文摘要中所说,该工作的另外一个重要意义是提供了一种容易制备出拓扑超导态的材料平台。

他们利用自己生长的高质量FeTe0.55Se0.45单晶作为基底,利用分子束外延技术,成功生长出高质量的Bi2Te3薄膜,从而构造出Bi2Te3/ FeTe0.55Se0.45异质结,而上层Bi2Te3薄膜由于邻近效应形成了超导。进一步在两个量子单元(2 QL)厚度的薄膜上进行了准粒子态密度和散射相干的测量,结果如图1所示。当测量能量低于0.5 mV时(图1A,B),没有明显的强度信息出现,说明超导能隙没有节点存在,能隙最小值在0.5 meV以上。当测量能量处于1.0 mV1.5 mV之间时(图1C,D),在一对Γ-K方向首先出现了散射强度,此现象在强度随角度变化的图1G中可以更明显地观察到;随着测量能量的增加,其他方向的散射强度逐渐出现(图1E,F),最终形成一个完整的正常态六边形轮廓。对此合理的解释是超导能隙具有二度对称性,测量能量从零逐渐增加时,能隙小的某个Γ-K方向的准粒子首先被激发出来,当能量达到最大能隙值,所有的准粒子都被激发,形成正常态具有六度对称的费米面图样。通过分析可以得出结论,能隙最小值方向在样品的某一个Γ-K方向,能隙的二维和三维示意图如图1H,I所示。


图1. Bi2Te3/ FeTe0.55Se0.45异质结的准粒子相干散射结果。(A-F) 不同能量准粒子散射的傅里叶变换图;(G) 中间能量沿着费米面积分得到的散射强度随角度变化图;动量空间对应的能隙分布示意图(H)和能隙分布三维示意图(I)。

此外,通过施加垂直于样品基平面的磁场,他们观测到了拉长的磁通(图2A,B),而且沿着或者垂直拉长的方向测量得到的磁通束缚态有很大的区别(图2C,D)。上述结果和衬底FeTe0.55Se0.45单晶上观测的有很大差别,证明是临近效应诱导的表面Bi2Te3薄膜超导形成的磁通。磁通的形状能反应超导能隙结构特征,拉长的方向即对应能隙较小的方向,这与上面准粒子相干散射分析得到的能隙较小的某个Γ-K方向一致,进一步确认了二度对称性结构的超导能隙。很奇特的现象是在磁通拉长的方向,有一个稳定的零能模式存在,直到磁通的边缘。这被解释为拓扑超导磁通芯子中Majorana费米子的表现。


图2. 在异质结表面观测到拉长的磁通。(A) 拉长的磁通,磁通拉长方向为某一个原子晶格方向。(B) 观测到的由拉长磁通组成的磁通格子。(C,D) 沿着拉长磁通方向和垂直于该方向测量得到的隧道谱,可以发现能隙内磁通束缚态沿着两个方向有很大区别。

该工作是基于闻海虎教授团队最近几年来在铁基超导体机理研究的基础上进行的。 最近他们在FeTe0.55Se0.45材料中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磁通束缚态【Nature Communications 9, 970 (2018)】,并且证明了该铁基超导体具有很小的费米能。此外,他们利用扫描隧道显微镜的准粒子相干散射技术,深入研究了铁基超导体轨道选择的超导配对对称性,获得了系列重要成果【Nature Communications 7, 10565 (2016)Nature Physics 14, 134 (2018)】。 这些系列工作对揭示铁基超导机理具有重要的推动作用。

该最新成果是闻海虎教授团队独立完成的,陈明扬同学为文章第一作者,闻海虎教授和杨欢教授为共同通讯作者,闻海虎协调了整个工作进展。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“人工微结构科学与技术协同创新中心”的支持,在此表示感谢。

ReferenceMingyang Chen, Xiaoyu Chen, Huan Yang, Zengyi Du, Hai-Hu Wen. Superconductivity with twofold symmetry in Bi2Te3/FeTe0.55Se0.45 heterostructures. Science Advances 4, eaat 1084 (2018).

文章链接:http://advances.sciencemag.org/content/4/6/eaat1084

(杨欢供稿)

 

2介电体超晶格实验室刘辉课题组在变换光学芯片取得进展——基于弯曲时空中加速粒子韧致辐射原理实现等离激元的激发与调控

爱因斯坦的广义相对论成功描述了弯曲时空中物质的运动。根据广义相对论的基本原理,光子态在弯曲时空中的演化可以呈现出许多新奇的特性。近些年,理论物理学家提出变换光学方法,利用超构材料模拟弯曲时空中光子态的演化行为,可以实现光子态的操控和新型集成光子芯片。变换光学在理论上有很多新奇设计,但在实验技术方面却面临很大挑战,许多理论设计很难在实验中真正实现。近几年来,南京学物理学院介电体超晶格实验室祝世宁、刘辉课题组,在变换光学实验技术方面取得突破,利用液体表面张力自组织加工技术,在聚合物变换光学波导中成功实现了光子黑洞、爱因斯坦环、麦克斯韦鱼眼等器件。

另一方面,光子也是满足量子力学的自旋为1的玻色子,通过引入自旋自由度,人们可以利用光自旋霍尔效应更加灵活地在芯片上调控光子传播。最近,介电体超晶格实验室与香港科技大学Jensen Li课题组合作,将光自旋引入变换光学芯片,通过同时改变超构材料整体的弯曲形状和结构单元局域的旋转角度((a)),可以调控时空中自旋光子态的几何位相((b)),模拟弯曲时空中粒子的加速运动和韧致辐射((c))。课题组博士生仲帆在实验中通过构造伦德勒时空,模拟了黑洞周围加速粒子的韧致辐射,实现了自由空间自旋光子激发芯片上等离激元伦德勒波束的过程((d-i))。更进一步,利用不同弯曲时空度规之间广义协变变换,在理论上可以找到了一系列满足等价关系的弯曲超构材料,实验中在不同超构材料中同时产生相同的表面等离激元波场,结果表明广义协变变换为变换光学芯片的设计提供了更加广泛灵活的理论方法。该工作近期发表在“Controlling Surface Plasmons Through Covariant Transformation of the Spin-Dependent Geometric Phase Between Curved MetamaterialsPhys. Rev. Lett. 120,243901 (2018), 博士生仲帆是第一作者, 南京大学是第一单位,祝世宁院士参与了讨论和文章的修改。

该工作得到固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持,国家自然科学基金重大项目“光子态的时空演化与应用”(No.11690033)和科技部量子调控项目“人工微结构中新奇量子、类量子效应研究” (No. 2017YFA0303702)的资助,在此表示感谢。

(刘辉供稿)

 

3温锦生与李建新联合团队首次在真实材料体系中发现了一种新颖的三维拓扑磁振子

近日,南京大学物理学院温锦生教授、李建新教授、万贤刚教授以及于顺利副教授等人通力合作,利用中子散射结合理论模拟对三维反铁磁体Cu3TeO6进行研究,首次在真实材料体系中观测到了三维拓扑磁振子激发。该研究成果以“Discovery of coexisting Dirac and triply degenerate magnons in a three-dimensional antiferromagnet”为题,发表在《自然通讯》上[Nature Communications 9, 2591 (2018)]。这是温锦生教授课题组近一年多来在量子磁性方面在国际权威期刊发表的第5篇文章,之前有4篇关于量子自旋液体的工作发表在《物理评论快报》上,其中有2篇也是与李建新教授课题组合作完成的。

拓扑这一数学概念引入物理学后,一方面推动了基础物理学研究的发展,另外一方面也促使了大量新颖拓扑量子材料的出现,例如石墨烯、拓扑绝缘体、三维狄拉克半金属以及外尔半金属等,大大地丰富了材料科学,为低耗散、更稳定的下一代电子器件的发展奠定了材料基础。这些材料中具有拓扑属性的准粒子是满足费米统计的电子,即费米子。这些费米子的能带具有拓扑性质,其两条线性交叉的色散可以用狄拉克或外尔方程进行描述,分别对应着狄拉克或外尔费米子。除此之外,还可能存在超越狄拉克-外尔框架的新的费米子,如三重简并费米子。与狄拉克或外尔费米子不同的是,三重简并费米子具有二条线性能带和一条平带交叉的能带结构。

实际上,根据拓扑能带理论,能带结构的拓扑属性不依赖于体系中准粒子的统计属性。这意味着除了拓扑费米子之外,拓扑玻色子也应当存在。到目前为止,拓扑玻色子在光子晶体、声子晶体等人造材料中被广泛实现,然而却很少在真实材料中被发现。磁振子作为自旋波量子——磁有序材料磁激发的准粒子,拥有玻色子的属性。虽然也有大量的理论工作提出了各种磁振子拓扑态,实验上一直鲜有报道,特别是在三维体系中,还未有拓扑磁振子态被发现。在拓扑磁振子系统中,非零的贝利曲率会导致电中性的磁振子具有反常热霍尔效应,并且非平庸的能带结构会使体系出现受拓扑保护的表面态,这些性质使得拓扑磁振子材料在发展高效率、低耗散的新型电子自旋器件上具有十分重要的应用前景。因此,在实验上找到这样的材料具有重要意义。


图1. a, Cu3TeO6的晶体及磁结构。为简洁起见,图中只标注了Cu原子。箭头为自旋示意图。b, 倒空间中的第一布里渊区以及各主要高对称点。c和d,中子散射实验所得到的分别沿着动量空间[001]和[111]方向的磁激发谱。c和d中的白线为理论计算的结果。虚线为b图所示的在动量空间中的位置。

北京大学李源与中科院物理所方辰课题组合作提出Cu3TeO6是一个狄拉克磁振子体系[PRL 119, 247202 (2017)]。如图1a所示,该材料具有立方结构,是一个三维共线的反铁磁体,磁矩方向指向体对角线方向。温锦生与李建新联合团队生长了该材料的高质量、大尺寸单晶,采用中子散射这一能够在动量-能量空间直接探测材料磁激发的手段对这些单晶进行了研究,得到了完整、清晰的磁激发谱,部分结果如图1cd所示。从磁激发谱上看,高对称点位置,例如图1cH点以及Γ点,能带交点清晰可见。结合对称性分析,这些交点具有稳定的拓扑属性。

为了进一步确认研究团队前期结论,该团队基于线性自旋波理论,采用一个以最近邻磁相互作用J1为主要项的模型进行了计算,很好地描述了实验观测到的磁激发谱。理论计算所得到的能带如图1cd白线所示。分析表明,图1d中,在动量空间P点的不同能量位置存在三个狄拉克点,靠近这些狄拉克点的线性磁振子激发可以用狄拉克方程描述,因此这些准粒子为狄拉克磁振子。该结果跟早前的理论预言吻合得很好[PRL 119, 247202 (2017)]

除了观察到理论所预言的狄拉克磁振子以外,该团队还发现了超越狄拉克-外尔方程的新型玻色子——三重简并磁振子。如图1cd中的HH点,每个点都分别在两个能量出现三重简并点。Γ点同时存在一个狄拉克点以及一个三重简并点,但是在能量上比较接近,实验上难以分辨。这些高对称点上的能带交点,不依赖于理论模型,受到材料本身的对称性保护。我们的理论计算表明,在每一个三重简并点附近,磁振子能带由两条线性色散能带和一条平带交叉组成,因此,这些磁振子为三分量的磁振子,不同于狄拉克或外尔磁振子。

该工作首次在一个真实的三维磁性材料中观测到拓扑磁振子激发,丰富了材料科学;发现了一种狄拉克和三重简并磁振子共存的新颖拓扑态,加深了人们对于拓扑能带理论的理解;对于量子拓扑领域的发展具有重要意义。

南京大学物理学院温锦生教授课题组的博士生鲍嵩、王靖珲和李建新教授课题组的博士生王巍为共同第一作者,于顺利副教授、万贤纲教授、李建新教授和温锦生教授为共同通讯作者。实验研究由温锦生教授课题组完成,理论研究由李建新教授及万贤刚教授课题组负责完成。其中,中子散射实验工作在美国橡树岭国家实验室散裂中子源的ARCS谱仪上完成。该工作得到了国家自然科学基金、国家重大研发计划、一流大学和一流学科建设计划、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_49922

 

4、曹毅教授获2018纳米研究青年创新者奖(首届)

近日,国际知名期刊Nano Research公布了2018年纳米生物科技领域Nano Research Young Innovator Awards获奖人员名单,我校曹毅教授荣膺该奖!

曹毅为我校物理学院教授,博士生导师。1997-2001本科毕业于南京大学化学化工学院高分子系;2001-2004获得南京大学化学化工学院高分子系硕士学位;2004-2009于加拿大不列颠哥伦比亚大学化学系获取博士学位;2009-2010于加拿大不列颠哥伦比亚大学化学系开展博士后研究。曹毅教授在软物质材料力学特性、单分子生物物理、生物力学与力生物学等方面有着多年的研究经验。在Nature Nanotech.Nature Mater.Nature Comm.PNASJACSAngew. Chem.等杂志以第一作者或通讯作者发表文章多篇。2011年入选教育部新世纪人才支持计划。2013年入选南京大学登峰人才支持计划B层次。2014年获得IUPAP C6青年科学家奖。2015年获得优秀青年基金。

本次全球共有45位年龄不超过45周岁的青年学者获此殊荣。该奖项由Nano Research编委会于今年首次设立的国际性的纳米研究青年创新奖,旨在表彰对纳米科学技术相关领域做出突出贡献的青年科研人员。此奖项将每年评选一次,由Nano Research杂志编委组成的评奖委员会,在全球范围内通过遴选流程确定最终人选。首次的评比仅在纳米生物科技领域开展,包括生物传感器、生物造影、药物传递、用于疾病诊疗的组织工程等。所有获奖者的工作成就将在近期的Nano Research Award Special Issue予以展示。

(南京大学新闻网http://news.nju.edu.cn/show_article_12_49905

 

5暑假工作和安全检查通知

根据“党委办公室 校长办公室关于2018年暑期学校和暑假工作安排的通知”(南办发[2018]36号)的要求,79日至92日为暑期学校时间和学生暑假时间,教职工自716日开始轮休, 823日正式上班,人事代理人员按合同约定执行。

为加强暑假期间有关工作的组织协调,由黄奇、鞠艳、刘金生、高惠滨、张文俊、肖林、陈年林、李宁荣等同志组成暑假工作组。请各系/中心对安全工作(包括防火、防盗、网络安全等)予以高度重视,并在放假前进行认真检查,及时消除不安全因素。发现问题请及时上报暑假工作组,严防不测事件发生。

暑假期间,学校印章每周一至周四在仙林校区使用;每周五在鼓楼校区综合服务大厅使用。暑假作息时间:周一至周四:上午9001200,下午15001700;周五:上午9001200,下午14001600。财务工作到校财务处办理;吴健雄图书馆(学校图书馆215室)按学校图书馆的统一部署安排值班时间;唐仲英楼、蒙民伟楼、低温楼等处的值班安排另行通知。

物理楼暑假期间仍然实行物业管理,全天候开放。请各系/中心将假期在物理楼工作的教职工和学生名单于放假前送交院办备案。

院办从717日至830日安排值班。物理楼值班安排如下:

值班时间  上午9001200  下午15001700

7161718

 

物理楼126

83592753

 

7192023

 

物理楼128

83594513

7242526

许跃枫

物理楼132

83592059

 

72730

 

物理楼130

83597953

731

81

 

物理楼130

83597953

 

823

王玉婷

物理楼133

83596530

867

董屹威

物理楼133

83596530

 

889

 

物理楼126

83592753

81013

张文俊

物理楼130

83597953

 

81415

吴煜昊

物理楼130

83597953

81617

 

物理楼130

83597953

 

8202122

王寅龙

物理楼133

83596530

吴健雄图书馆(学校图书馆215室)723日、86日和20日的上午9:0012:00开放,值班电话83593364。如有特殊情况,请电话预约13851938503

(院办供稿)

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