北理工在界面反射研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2020-09-09 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數(shù)：
日前,，北京理工大學(xué)姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)成員余智明及其合作者,，在界面反射研究中取得重要進(jìn)展,，發(fā)現(xiàn)界面反射中反常位移環(huán)流可以是量子化的,，為物理學(xué)中重要但非常罕見的量子化的物理量增添了新的一員,。
界面反射是一個(gè)普遍存在且早已為人們所熟知的物理過程,，但該領(lǐng)域的研究依然在蓬勃發(fā)展,。在界面反射中,，一個(gè)有意思的物理現(xiàn)象是所謂的反常位移現(xiàn)象，指的是,，當(dāng)粒子在界面處發(fā)生散射時(shí),，其出射點(diǎn)和入射點(diǎn)在界面上是分開的，存在一個(gè)位移差,。反常位移現(xiàn)象最早是在光學(xué)中發(fā)現(xiàn)的,，而后由于電子光學(xué)研究的興起,，該現(xiàn)象也被引入到電子體系當(dāng)中，甚至在金屬超導(dǎo)界面的Andreev反射中也被發(fā)現(xiàn)了,。因此,，反常位移是一個(gè)普遍存在的物理現(xiàn)象，研究和揭示新奇的反常位移行為不僅是一個(gè)基本的物理研究問題,，也可以為探測(cè)材料物性提供一個(gè)新的潛在手段,。
近幾年，余智明,、姚裕貴教授和楊聲遠(yuǎn)教授等人合作在反常位移研究領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展,。在2017年，余智明等人首次指出在金屬和s-波超導(dǎo)界面處的Andreev反射中可以存在橫向位移[Physical Review B, 96,121101 (2017)],，并其后在2018年,，發(fā)現(xiàn)非傳統(tǒng)超導(dǎo)可以獨(dú)立得導(dǎo)致反常橫向位移的產(chǎn)生，而不需要體系具有自旋軌道耦合,，極大得拓展了反常橫向位移的存在條件[Physical Review Letters 121, 176602 (2018)],。上述工作為余智明等人在近期發(fā)現(xiàn)量子化的反常位移環(huán)流奠定了非常重要的研究基礎(chǔ)。
圖1：（a）界面反射中反常位移的示意圖,。藍(lán)色線段表示入射和反射的電子流,，紅色線段代表反常位移。（b）反常位移是隨界面動(dòng)量變化的一個(gè)矢量,。C代表反常位移在界面動(dòng)量空間中的環(huán)路積分,。
圖2：（a）普通金屬和外爾半金屬所構(gòu)成的模型示意圖。（b）反常位移在界面動(dòng)量空間的矢量場(chǎng),。箭頭代表矢量的方向,，顏色代表矢量的絕對(duì)值。（c）反射振幅的相位隨界面動(dòng)量的變化,。
圖3：Andreev反射中的反常位移在（a）s-波超導(dǎo),，（b）手性p-波和（d）d-波超導(dǎo)下的行為。（c）手性p-波情況下,，Andreev反射振幅的相位角在界面動(dòng)量空間下的行為,。
研究反常位移現(xiàn)象的一般性模型可分為兩部分，一為入射區(qū)域,，二為透射或目標(biāo)區(qū)域,，如圖1（a）所示。當(dāng)入射的粒子束（比如光或電子）從入射區(qū)域向目標(biāo)區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí),，其在界面反射時(shí)可以產(chǎn)生反常位移現(xiàn)象,。反常位移是一個(gè)定義于界面動(dòng)量空間的矢量，其定義范圍為入射區(qū)域費(fèi)米面在界面動(dòng)量空間上的投影,，如圖1（b）所示,。余智明等人首先通過對(duì)稱性分析,，指出當(dāng)入射區(qū)域具有某些特定的對(duì)稱性,，反常位移的環(huán)流必然是量子化的,。特別重要的是，該量子化的對(duì)稱性要求其實(shí)并不苛刻,。許多實(shí)驗(yàn)上的常規(guī)體系,，如普通金屬，即滿足上述量子化的對(duì)稱性要求,。其后該工作計(jì)算了兩個(gè)具體的模型：普通金屬和外爾半金屬模型,、以及普通金屬和超導(dǎo)體模型的反常位移。計(jì)算結(jié)果顯示反常位移的矢量場(chǎng)在界面動(dòng)量空間中會(huì)形成量子漩渦,，直接證明反常位移環(huán)流具有量子化的特性,，如圖2和圖3所示。此外計(jì)算也表明量子化環(huán)流的值取決于外爾點(diǎn)和超導(dǎo)體的拓?fù)潆姾伞?/p>
該工作表明,，如果目標(biāo)區(qū)域具有非零的拓?fù)潆姾?，則會(huì)導(dǎo)致非平庸的量子化的環(huán)路積分。而這也反過來表明,，反常位移的環(huán)路積分可以用來探測(cè)目標(biāo)區(qū)域的拓?fù)湮镄?。鑒于量子化的物理量在物理學(xué)中所具有的重要性，該工作將極大的促進(jìn)反常位移和新奇拓?fù)洳牧系难芯俊?/p>
該文章發(fā)表于物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》,，作者為劉影,、余智明(通訊作者)、肖聰和楊聲遠(yuǎn)(Ying Liu, Zhi-Ming Yu*, Cong Xiao, and Shengyuan A. Yang),，Physical Review Letters 125, 076801 (2020),。 文章鏈接：https://doi.org/10.1103/ PhysRevLett.125.076801
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