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宾夕法尼亚大学 物理学 科研

University of Pennsylvania Physics Research

面向对象： 以欲申请美国名校物理学、理论物理、量子物理、凝聚态等相关专业的高中生为主；

科研主题：宾夕法尼亚大学物理学科研；

软性背景：有一定的科研履历者优先；

科研导师：宾大物理类专业导师；

科研地点：宾大科研组会议室；

科研起源

在最新的世界学术水平排行榜中，绝大部分都是美国的大学。由于美国大学与工商业、企业结合紧密，同时学校的教学资源、实验课题及实验设备都属于全球顶尖状态，从而成为众多留学生的梦想留学目的地。

目前中国学生申请赴美留学人数日益剧增，以往美国顶尖名校选择录取GPA高分学生，后来校方逐渐发现学生在学习中缺少创新和实操的能力，进而导致美国名校录取率的下降。近些年，招生官对选择学生时更加看重的是自主创新、专业技能、思维创造才能等综合素质人才。对于计划入读美国名校的学生，实际的科研经验无疑可以提升竞争力，从而大大增加被名校录取的概率。

宾大物理类高端科研项目，坚持为更多有梦想的学生提供机会和平台。

科研亮点

1. 进入美国名校实验室/科研组，接触尖端科学

为未来赴美深造做准备；科研经历是美国名校申请的基石，顶级名校的科研项目是对学生有能力完成名校学业最好的证明；

2. 师从导师开展实验项目

高层次的人脉和校友关系，与学生为伍的人是诺贝尔奖获得者、美国科学院院士、教授、名校博士、硕士，学生将体验到世界最顶级学术专家们的思想和气质；

3. 获得导师推荐信和科研证书；

对于优秀学生可以获得名校导师的推荐信，大大助力未来的留学申请；

4. 全天候专业英语环境，迅速提升专业水平；

提升沟通和专业英语水平，提升专业知识和能力，用实践使学生的理论知识更加具体形象；

5. 高含金量收获助力未来留学深造及就业

在名校导师指导下的科研过程将帮助学生明确自身发展方向，不断深化对于美国学界的了解与认同，帮助参与学生及家长明确未来的学校及专业申请方向；从而更好的明确留学的目的与意义，摆脱盲目，获得真知；

科研简介

Our research group studies quantum electronic phenomena in condensed matter. We are particularly interested in so called "low dimensional" systems where the electron's motion is geometrically restricted by the effective dimensionality of the structure. This occurs in many physical systems, for example at the surfaces of solids, in nanostructures, and in molecular solids. We are currently exploring electronic phenomena in molecular solids that are derived from fullerene molecules, nanotubes, and related carbon-derived structures. These provide a very interesting family of structures in which subtle changes in stoichiometry or geometry are known to lead to a wide range of electronic phenomena (conducting, insulating, magnetic and superconducting phases are known for these solids). We study how this range of properties depends on the microscopic structures of the constituents and how this behavior might be controlled at the molecular level. We are interested in better understanding the effects of strong repulsive interactions between electrons on the electronic properties. When these interactions are sufficiently strong, electrons in a solid do not move independently, but only in a highly correlated way. This is very important for understanding the electronic behavior, yet the development of a theoretical framework for analyzing these highly correlated states of matter remains a formidable challenge. We have studied this problem for various low dimensional models (one and two dimensional systems) that exhibit transitions in the electronic behavior as the electron density and interaction strengths are varied. Our earlier work in surface physics has used a variety of theoretical tools (ranging from first principles electronic structure methods to phenomenological approaches) to study the equilibrium structures and vibrational excitations of crystal surfaces

我们的研究小组研究了浓缩物质中的量子电子现象。我们对所谓的“低维度”系统特别感兴趣，其中电子的运动由结构的有效维数几何地限制。这发生在许多物理系统中，例如在固体表面，纳米结构和分子固体中。目前，我们正在探索衍生自富勒烯分子，纳米管和相关碳衍生结构的分子固体中的电子现象。这些提供了一个非常有趣的结构系列，其中已知化学计量或几何形状的微妙变化导致广泛的电子现象（传导，绝缘，磁性和超导相对于这些固体是已知的）。我们研究这种性质的范围取决于组分的微观结构以及在分子水平上如何控制这种行为。我们有兴趣更好地了解电子之间强烈排斥相互作用对电子性能的影响。当这些相互作用足够强时，固体中的电子不会独立移动，而只能以高度相关的方式移动。这对于了解电子行为非常重要，但是开发用于分析这些高度相关的物质状态的理论框架仍然是一个艰巨的挑战。随着电子密度和相互作用强度的变化，我们已经研究了在电子行为中出现转变的各种低维度模型（一维和二维体系）的这个问题。我们早期在表面物理学中的工作已经使用了各种理论工具（从第一原理电子结构方法到现象学方法）来研究晶体表面的平衡结构和振动激发。

参考文献

C.L. Kane and E.J. Mele "Quantum Spin Hall Effect in Graphene" Physical Review Letters 95, 226801 (2005)

P.J. Michalski, N. Sai and E.J. Mele "Continuum Theory for Nanotube Piezoelectricity" Physical Review Letters 95, 116803 (2005)

C.L. Kane and E.J. Mele "Electron Interactions and Scaling Relations for Optical Excitations in Carbon Nanotubes" Physical Review Letters 83, 197402 (2004)

D.J. Hornbaker, S-J Kahng, S. Misra, B.W. Smith, A.T. Johnson, D.E. Luzzi, E.J. Mele and A. Yazdani "Mapping the Electronic States of Fullerene Peapods" Science 295, 828-831 (2002) (cover story)

E.J. Mele and P. Kral "Electric Polarization in Heteropolar Nanotubes as a Geometric Phase" Physical Review Letters 88, 056803 (2002)

E.J. Mele "Anamorphoses in the Method of Images" American Journal of Physics 69, 557 (2001)

C.L. Kane and E.J. Mele "Size Shape and Low Energy Electronic Structure of Carbon Nanotubes" Physical Review Letters 78, 1932 (1997)

C.S. Hellberg and E.J. Mele "Phase Diagram of the One Dimensional t-J Model From Variational Theory" Physical Review Letters 67, 2080 (1991)

D.P. DiVincenzo and E.J. Mele ``Self Consistent Effective Mass Theory for Intralayer Screening in Graphite Intercalation Compounts" Physical Review B 29, 1685 (1984)

M.J. Rice and E.J. Mele "Elementary Excitations of a Linearly Conjugated Di-atomic Polymer" Physical Review Letters 49, 1455 (1982)

Talks (2002-present)

RESEARCHS TAUGHT:

Phys 361: Electromagnetism I

Phys 362: Electromagnetism II

科研内容

The goal of the research is to teach group theory and information theory relating the two through linear algebra and geometry. This combination is somewhat novel/unconventional in its construction, reflecting the instructor’s research interests. However, even when taken separately, these subjects are useful for both pure math, communication, cryptography, and data science purposes, and are good general foundations for students who are interested in these fields.

OBJECTIVES

1.A basic grasp of group theory and matrix representation

2.A basic grasp of information theory up to the noisy channel theorem

3.Implement robust symbol and stream codes

4.Analysis of the relationship between the noisy channel theorem and stacking density problem( in particular from the perspective of isomorphism)

STEP ONE

(Intensive group theory and information theory crash researchs, restricted mainly to linear algebra for practical implementation)

1.Basic definitions of a group, matrices, and vector space

2.NxN matrices, orthonormal basis, and diagonalization

3.Justification for entropy as a measure for information

4.Simple encoding methods in information theory

5.Relating encoding with linear algebra

Assignments: Construct a program to encode and decode simple data through matrices and vectors

STEP TWO

(Open question exploration)

1.Introduction and implementation of Huffman coding(Symbol coding) and arithmetic coding(Arithmetic coding)

2.Student analysis and comparison of the two methods

(Student research and open problem exploration, will only explore partially depending on time constraints)

3.An exploratory discussion on the relation between noisy channel coding and group homomorphism

4.Discussion on sphere stacking in low dimensions and shannon’s noisy channel coding problem

5.Discussion on group homomorphism and sphere stacking

6.Review recent progress made in 8 dimensions and 24 dimension on sphere stacking in 2016 and interpret using information-theoretic and group theoretic tools.

科研收获

1.      科研完成时，学生将会全面了解物理学领域基本知识和最新进展，并获得导师推荐信和丰富的CV履历。

2.      挑战自身潜能，切身体会宾夕法尼亚大学顶尖科研环境，在严苛的训练下快速成长。

3.      极大拓宽视野，实地感受国内外科研区别。通过此次科研，参与学生将会对留学名校有个清晰的认识，并依此做出最优的人生规划。

4.     学生将有机会与顶尖教授零距离交流套磁，了解宾夕法尼亚大学的内部申请信息。

科研时间

时间：6月1日--9月1日，每期时间长度为3—4周；

具体情况根据学生面试情况由美方进行调整；

报名后安排校方面试，面试前辅导学生阅读1篇专业论文；

学校环境：

学校地址：宁波海曙区东渡路55号华联写字楼1101室

鄞州校区地址：鄞州区日丽中路757号奥克斯大厦1401室

申请策划：做最牛的申请

我们不是中介，我们愿做同学们的“海外智囊团”。我们全力为你们提供精英式的培训和咨询，而不是做那些只触及皮毛的工作。我们身在美国，所以我们更知道美国人重视什么，懂得什么是申请的核心。

学习潜力

你还有发挥的空间吗？——我们要的是“潜力”！
你在课堂里学到什么？
你对哪个学科有特别的看法？
你理想的一节课应该怎么上？

课外活动

往往连你自己也想不到的兴趣爱好或一技之长，会得到美国人的青睐！
社团、音乐、文学、口才、旅行、体育、义工、探索、网络……

个人品质

美国崇尚多元文化的价值观，充分发掘你“平淡无奇”的闪光点吧！
你坚定、执着、独立、慷慨、谦虚、沉着、善于组织、敢于创新、有团队理念、富冒险精神

学而UniPlan

 用顶尖大学的智慧，设计并精心修改申请文章、推荐信和个人简历
 以“过来人”眼光，发掘你的潜力和山岗点，助你以独特优势成功申请
 利用在美国的资源优势，充分调查，替你富有策略地选择申请最佳学校
 和名校学生“一对一”，为你提供关于该学校录取、专业和生活等全方位、个性化指点

学而Vantage

 名校—团队都出自美国顶尖名校，精英力量一流水准
 美国—驻足美国，资源丰富，团队成员遍布美国大学
 教授—耶鲁大学教授亲自指点迷津，提供最权威资讯
 学生—咨询顾问均亲身申请并成功获得美国名校录取