美国显微学会(MSA)于近日宣布,中国科学院大学物理科学学院周武教授荣获2024年度伯顿奖章(Burton Medal)。该奖项旨在表彰周武教授在单原子分辨电子显微分析技术领域的突出贡献,以及他在材料科学应用研究中取得的系列原创成果。
周武教授深耕高分辨电子显微学领域多年,发展了具有单原子分辨能力的低电压扫描透射电子显微镜(STEM)定量成像和电子能量损失谱(EELS)分析技术。他的开创性工作突破了现有技术的分析极限,实现了对功能材料的单原子尺度直接观测和定量分析,帮助深刻揭示原子尺度结构与材料性能之间的内在联系。他的研究成果为二维材料与器件、量子材料以及能源催化材料的原子尺度研究开辟了新的途径,对推动新型二维电子器件和能源材料的研发具有重要意义。
伯顿奖章作为国际电子显微学领域最具声望的奖项之一,自1975年设立以来,每年授予一位在电子显微学和显微分析领域做出杰出贡献且年龄不超过40岁的科学家。在过去50年里,仅有七位华人学者曾获此殊荣,周武教授是首位在中国本土工作的获奖者。这一奖项不仅是对周武教授个人科研成果的高度肯定,也反映出中国在电子显微学研究领域日益增强的国际影响力和创新能力。
该奖项于2024年7月28日至8月1日在美国俄亥俄州克利夫兰市举行的美国显微学会年度学术盛会——“显微学与显微分析2024大会”(M&M 2024)的开幕式颁奖典礼上正式颁发。
媒体报道:
【中国新闻网】中国学者获得2024年度美国显微学会伯顿奖章
【光明日报】中国科学院大学物理科学学院周武教授荣获2024年美国显微学会伯顿奖章
国科大团队在双重味重子研究取得新进展
粒子物理实验组
近期,中国科学院大学物理科学学院LHCb实验团队在双重味重子研究方面取得了新进展,利用LHCb实验采集的质子-质子对撞数据,主导完成了含底夸克和粲夸克的双重味重子Ξbc0和奇异双粲重子Ωcc+的首次搜寻。这两项成果分别发表在JHEP(《高能物理杂志》)和SCIENCE CHINA - Physics, Mechanics & Astronomy(《中国科学:物理学 力学 天文学》英文版)。
按照粒子物理的夸克模型,自然界存在六种夸克:上(up,u)、下(down,d)、奇异(strange,s)、粲(charm,c)、底(bottom,b)、顶(top,t),前三种较轻,后三种较重。重子由3个夸克组成,像人们熟知的质子便是一种重子,由三个轻夸克(两个上夸克和一个下夸克)组成。双重味重子由两个重夸克(底夸克或粲夸克)和一个轻夸克组成,其内部结构预期迥异于普通重子,因而具有独特的性质,在研究夸克的三体束缚系统、理解强相互作用和夸克模型等占有特殊重要的地位。
国科大团队利用LHCb实验运行二期采集的质子-质子对撞数据,完成了含底夸克和粲夸克的双重味重子Ξbc0(夸克组分:bcd)的首次搜寻,尚未观测到明显信号,测量给出了双重味重子Ξbc0相对于单底重子Λb0(夸克组分:bud)的产率的上限。该成果发表在JHEP 11 (2020) 095。
双重味重子的不变质量谱分布
国科大团队利用LHCb实验运行二期采集的质子-质子对撞数据,完成了奇异双粲重子Ωcc+(夸克组分:ccs)的首次搜寻。在3876兆电子伏特质量处观测到局部(全局)显著度为3.2(1.8)倍标准差的暗示,测量给出了奇异双粲重子Ωcc+相对于双粲重子Ξcc++(夸克组分:ccu)的产率的上限。该成果作为“编辑聚焦”(Editor’s Focus)文章发表在Sci. China - Phys. Mech. Astron. 64 (2021) 101062。
奇异双粲重子的不变质量谱分布
国科大物理科学学院何吉波研究员和博士研究生项治宇、徐兢一等对这两项研究有突出贡献。作为科技部国家重点研发计划“大型强子对撞机LHCb实验的物理研究”项目-课题“双重味重子寻找”(课题号:2017YFA0402102)的牵头单位,在国内理论物理学家们长期强有力的支持下,国科大LHCb团队此前(联合)主导了双粲重子Ξcc++(夸克组分:ccu)的发现[PRL 119 (2017) 112001],Ξcc++重子的寿命[PRL 121 (2018) 052002]、产生[Chin. Phys. C 44 (2020) 022001]和质量的测量[JHEP 02 (2020) 049],和Ξcc++重子新的衰变道的发现[PRL 121 (2018) 162002];双粲重子Ξcc+(夸克组分:ccd)搜寻的更新[Sci. China - PMA 63 (2020) 221062]等,其中双粲重子Ξcc++的发现入选了“2017年度中国科学十大进展”。这些研究也得到了中国科学院前沿科学重点研究计划(青年拔尖人才),和中国科学院大学自主科研项目等的支持。
国科大团队在双粲重子的实验研究中取得新进展
粒子物理实验组
近日,我校物理科学学院LHCb实验团队开展的双粲重子研究取得了新进展,对2017年发现的双粲重子Ξcc++【1,2】的寿命进行了首次测量,并且发现了该粒子的一种新衰变模式。欧洲核子研究中心(CERN)的研究进展网页和LHCb实验主页分别在第一时间做了报道【3,4】。这两项成果相继发表在物理学科国际权威期刊《物理评论快报》。
因为含有两个很重的粲夸克,物理学家预期双粲重子在很多方面都与我们熟知的质子、中子存在较大的差异。理解双粲重子的结构与性质因此受到理论和实验粒子物理学家的共同关注。理论学家构建了双粲重子结构的若干模型,对双粲重子性质做出了不同的预言。自LHCb中国组主导发现双粲重子Ξcc++后,利用实验数据了解双粲重子性质、检验理论模型预言成为实验研究的一项迫切任务。
LHCb中国组投入力量全面开展了双粲重子Ξcc++的性质研究。中国科学院大学团队与华中师范大学团队联合主导了Ξcc++寿命测量和新衰变模式的寻找。通过分析LHCb实验于2016年采集的数据,测量得到双粲重子Ξcc++的寿命约为256飞秒,确立了Ξcc++通过弱作用进行衰变的重要性质,并排除了一系列模型计算结果。此项成果发表在Phys. Rev. Lett. 121 (2018) 052002,并入选编辑推荐文章(Editors’ Suggestion)。另一项分析发现了双粲重子新的衰变模式Ξcc++→Ξc+π+,信号显著性达到6倍标准偏差,其质量和衰变率测量结果都与预期一致,进一步证实了双粲重子Ξcc++的存在。此结果发表在Phys. Rev. Lett. 121 (2018) 162002。
我校物理科学学院何吉波研究员和博士后Daniel Vieira博士等对这两项新成果做出了突出贡献。2018年5月,Daniel Vieira博士代表LHCb合作组在国际粲物理研讨会(CHARM 2018)大会上给了双粲重子实验研究的综述报告。2018年7月,何吉波研究员代表LHCb合作组在国际高能物理会议(ICHEP 2018)分会上给了双粲重子实验研究的综述报告。
图1:双粲重子Ξcc++的寿命测量的拟合图
图2:新衰变模式Ξcc++→Ξc+π+的信号峰
中国科学院大学的双粲重子研究工作得到了科技部国家重点研发计划“大型强子对撞机LHCb实验的物理研究”项目(课题“双重味重子寻找”,课题号:2017YFA0402102)、中国科学院前沿科学重点研究计划(青年拔尖人才)、中国科学院国际人才计划“国际访问学者”和“国际博士后”项目,和国科大自主研究经费等的支持。
链接:
【1】LHCb实验组首次发现双粲重子,国科大团队做出突出贡献
【2】国科大物理科学学院两项科研成果入选“2017年度中国科学十大进展”
铁基超导体中马约拉纳电导的近量子化平台
马约拉纳费米子是由物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)预言的一种基本粒子,其具有电中性且反粒子是自身。在凝聚态物理的材料体系中,被拓扑缺陷上束缚的马约拉纳准粒子,其产生湮灭算符满足自共轭关系,通常呈现出零能电导信号,被称为马约拉纳零能模。理论证明,马约拉纳零能模满足非阿贝尔任意子统计规律,是实现容错拓扑量子计算的主要路径之一。
过去的几年里,中国科学院大学(国科大)、中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧研究团队与丁洪研究团队合作,利用自主设计组装的国际顶尖水平的极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱(STM/S)联合系统精确测量了FeTe0.55Se0.45单晶样品的超导涡旋,得到了铁基超导中的马约拉纳零能模的实验证据 (D. Wang et al., Science 362, 333 (2018))。随后,他们针对马约拉纳零能模只在部分磁通涡旋中存在这一问题,对铁基超导中的马约拉纳零能模进一步研究,发现FeTe0.55Se0.45单晶样品表面同时存在两种不同类型的磁通涡旋,根据马约拉纳零能模的存在与否,磁通涡旋束缚态的量子化能级序列存在半整数位的嬗移。他们给出了FeTe0.55Se0.45样品表面马约拉纳零能模存在的微观物理机制,澄清了马约拉纳零能模的拓扑本质 (L. Kong et al., Nature Physics 15, 1181 (2019))。
已有的实验通过研究零能模的波函数、准粒子中毒 (Science 2018) 以及全局束缚态的能级序列 (Nature Physics 2019) 提供了马约拉纳零能模存在的大量实验证据,也解释了马约拉纳零能模存在的微观物理机制,但是先前的实验并未对马约拉纳零能模的本质特征(电子空穴等价性)做出直接观测。在新奇物理现象丰富的凝聚态材料中,仍需要更强的实验证据证明零能模信号来源于马约拉纳准粒子,尤其是对其电导行为的实验观测。对于一般超导体,一个入射的电子会产生一个反射的空穴,这一过程称为Andreev反射,其电导是与隧道结大小有关的任意值。然而得益于马约拉纳准粒子的电子/空穴组成等价混合,在马约拉纳零能模上发生的Andreev反射的电子与空穴隧穿概率本征相等,从而导致了马约拉纳对称性保护的电子-空穴共振隧穿条件,其电导是与隧道结大小无关的量子化值(2e2/h)。 这一马约拉纳零能模参与的共振Andreev反射可以看作是半导体中等价双势垒共振隧穿的“超导版本”。在实验上可以通过连续改变测量极与马约拉纳零能模之间的隧道结大小的方法,观测到独特的2e2/h-量子化的马约拉纳电导平台特征。该特征是马约拉纳零能模电子空穴等价性的直接表现,也是马约拉纳零能模存在的关键性实验证据。
最近,高鸿钧院士研究团队与丁洪研究员团队进一步合作,利用其极低温强磁场STM/S联合系统,开展了相关研究。他们通过连续可控改变针尖与FeTe0.55Se0.45单晶样品之间的隧穿耦合强度,观测到了马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征(图一)。大量的实验观测表明,该电导平台特征是受到马约拉纳本征电子/空穴对称性保护的马约拉纳零能模所特有的,其他非零能磁通涡旋束缚态并不存在这种电导平台特征(图二)。通过设计严谨的对照实验,研究团队测量了零磁场超导谱随隧穿耦合强度的变化,超导能隙内外的隧穿电导均呈现平庸的单调增长行为,这排除了量子化弹道输运产生电导平台的可能性。通过对磁通涡旋统计分析,他们发现了平台电导值近量子化的分布规律,并进一步分析了可能导致平台电导值小于量子化电导2e2/h的影响因素,系统能量展宽和准粒子中毒效应(图三)。整个测量过程保证了样品与针尖状态不会发生改变,测量过程可重复。证明了平台电导特征在马约拉纳零能模中普遍存在。
这项研究工作利用STM/S技术,观测到了磁通涡旋中马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征,给出了铁基超导体中存在马约拉纳零能模的关键性实验证据,为研究马约拉纳零能模和推动未来拓扑量子计算起到了重要的推动作用。相关研究结果于11月12日在Science杂志在线发表。国科大博士生、中科院物理所朱诗雨、孔令元、曹路和陈辉博士为共同第一作者,国科大物理科学学院张余洋、丁洪、高鸿钧为共同通讯作者。美国布鲁克海文国家实验室顾根大研究员提供了高质量的单晶样品,麻省理工学院傅亮教授提供了理论支持。该工作得到了科技部 (2015CB921000, 2015CB921300, 2016YFA0202300), 国家自然科学基金委 (11234014, 61888102),和中国科学院(XDB28000000, XDB07000000, 112111KYSB20160061)的支持。
延伸阅读:
http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201808/t20180817_5056877.html
http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201908/t20190821_5367346.html
文章链接:
https://science.sciencemag.org/content/early/2019/12/11/science.aax0274
图一, FeTe0.55Se0.45表面磁通涡旋中的零能电导平台
图二,马约拉纳零能模的Andreev共振反射。
图三,马约拉纳平台电导值的变化规律。
T-carbon(又名T-碳),是中国科学院大学苏刚教授研究团队于2011年通过理论计算预言的一种新型三维碳结构(X. L. Sheng et al., PRL106, 155703(2011)),经过不懈的努力探索,六年后终于被西安交大和新加坡南洋理工大学联合研究团队在实验上成功合成(Jinying Zhang et al., Nat. Commu. 8, 683 (2017)),证实了苏刚研究团队的理论预言,使T-carbon成为可与石墨和金刚石比肩的碳的另一种三维新结构,从而在碳家族中增加了新成员(如图)。T-carbon的预言和实验合成是碳科学研究的一项突破性重要科学进展。由于T-carbon具有非常独特的性质,将会在光催化、吸附、储能、航空航天材料、电子器件等领域具有诱人的重要应用前景。
T-carbon(又名T-碳),是中国科学院大学苏刚教授研究团队于2011年通过理论计算预言的一种新型三维碳结构(X. L. Sheng et al., PRL106, 155703(2011)),经过不懈的努力探索,六年后终于被西安交大和新加坡南洋理工大学联合研究团队在实验上成功合成(Jinying Zhang et al., Nat. Commu. 8, 683 (2017)),证实了苏刚研究团队的理论预言,使T-carbon成为可与石墨和金刚石比肩的碳的另一种三维新结构,从而在碳家族中增加了新成员(如图)。T-carbon的预言和实验合成是碳科学研究的一项突破性重要科学进展。由于T-carbon具有非常独特的性质,将会在光催化、吸附、储能、航空航天材料、电子器件等领域具有诱人的重要应用前景。
T-碳结构图
碳原子有四个价电子,发生轨道杂化后如同它有四只手,碳原子因此具有很强的与自身及其它元素相结合的能力。对于一维,碳可以形成sp杂化的卡宾链,如同利用了两只手,碳原子手拉手排成一个队;对于二维,碳可以形成sp2杂化的石墨烯,如同利用了三只手,碳原子手拉手形成了一个蜂窝状的平面结构;对于三维,碳可以形成sp3杂化的金刚石,就像同时伸出了四只手,这四只手成四面体结构,相互形成一个三维的致密结构,也使金刚石成为地球上硬度最大的物质。除此之外,碳还有sp-sp2杂化(有的碳原子伸出两只手,有的伸出三只手)的石墨炔,sp-sp3杂化(有的碳原子伸出两只手,有的伸出四只手)的金刚石炔等。化学上,碳可以与其它元素结合在一起,组成包括DNA、蛋白质和其它重要的生物大分子,从而使碳成为地球上组成生命的最基本的元素之一。
2011年,中国科学院大学物理学院的苏刚教授指导博士生胜献雷(该项工作的其他合作者包括闫清波博士、叶飞副教授和郑庆荣教授)通过大量对比研究后提出,如果将立方金刚石中的每个碳原子用一个由四个碳原子组成的正四面体结构单元取代,将会形成碳的一种新型三维立方晶体结构。他们基于密度泛函的第一性原理研究,发现这种结构在几何、能量以及动力学方面都是极其稳定的,并把这种碳的新型同素异形体命名为T-carbon。他们的研究表明,T-carbon具有与金刚石相同的空间群,是一个具有直接带隙的半导体,带隙在3eV左右(杂化泛函计算的带隙可达5eV),并可通过掺杂来调控带隙以适用于光催化。T-carbon还有一个很鲜明的特点,其密度非常小,约为石墨的2/3,金刚石的一半。T-carbon也具有很高的硬度。由于T-carbon是一个蓬松的碳材料,其内部有很大空间可供利用,如果用于储能材料,其储氢能力不低于7.7wt%。由于上述独特的性能,T-carbon将会在光催化、吸附、储能、航空航天材料等领域拥有广泛的潜在应用。他们通过仔细计算发现T-carbon可能在负压环境下易于形成。进一步的研究也表明,T-carbon有可能在宇宙星际尘埃或太阳系外行星中被观测到。该项工作被业内专家评价为“T-carbon开启了碳结构研究的新纪元,将激发其他科学家进行广泛的理论和实验研究”。该项工作先后被Science News以“Diamond cousin Proposed”为题做了报道,其它新闻媒体如American Scientist、NPG Asia Materials、Softpedia、NanoWerk、Fellow Geek、phys.org等也相继做了专题报道和介绍。
苏刚教授与博士生胜献雷(右三)等合影
T-carbon既然有如此奇妙独特的性质,一个自然而然的问题是:它能否在实验室合成?一般而言,实验科学家常常怀疑理论学家的工作能否在实验上实现;但理论学家总是对自己的研究充满信心,他们坚信逻辑的自洽并欣赏理论自身的优美。据介绍,苏刚教授在完成理论预言后,长期致力于推动T-carbon的实验合成工作。爱迪生说过,99%的实验都会失败,但坚持就一定会有收获。令人欣慰的是,2017年西安交大和新加坡南洋理工大学联合研究团队终于成为了那幸运的1%,他们通过皮秒激光照射悬浮在甲醇溶液中的多壁碳纳米管,在极端偏离热力学平衡态的条件下,成功地实现了从sp2到sp3化学键的转变,详细的结构研究发现形成的新型碳材料与理论预测的T-carbon完全一致,证明合成了T-carbon。西安交大和新加坡南洋理工大学联合团队的实验结果发表在2017年的Nature Communications上。
媒体报道:《科技日报》碳家族添新丁:我科学家预言的T-碳问世