北理工在界面反射研究中取得重要進展


  日前,北京理工大學姚裕貴教授團隊成員餘智明及其合作者,在界面反射研究中取得重要進展,發現界面反射中反常位移環流可以是量子化的,為物理學中重要但非常罕見的量子化的物理量增添了新的一員。

  界面反射是一個普遍存在且早已為人們所熟知的物理過程,但該領域的研究依然在蓬勃發展。在界面反射中,一個有意思的物理現象是所謂的反常位移現象,指的是,當粒子在界面處發生散射時,其出射點和入射點在界面上是分開的,存在一個位移差。反常位移現象最早是在光學中發現的,而後由於電子光學研究的興起,該現象也被引入到電子體系當中,甚至在金屬超導界面的Andreev反射中也被發現了。因此,反常位移是一個普遍存在的物理現象,研究和揭示新奇的反常位移行為不僅是一個基本的物理研究問題,也可以為探測材料物性提供一個新的潛在手段。

  近幾年,餘智明、姚裕貴教授和楊聲遠教授等人合作在反常位移研究領域取得了一系列重要進展。在2017年,餘智明等人首次指出在金屬和s-波超導界面處的Andreev反射中可以存在橫向位移[Physical Review B, 96,121101 (2017)],並其後在2018年,發現非傳統超導可以獨立得導致反常橫向位移的產生,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)]。上述工作為餘智明等人在近期發現量子化的反常位移環流奠定了非常重要的研究基礎。

圖1:(a)界面反射中反常位移的示意圖。藍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量變化的一個矢量。C代表反常位移在界面動量空間中的環路積分。

圖2:(a)普通金屬和外爾半金屬所構成的模型示意圖。(b)反常位移在界面動量空間的矢量場。箭頭代表矢量的方向,顏色代表矢量的絕對值。(c)反射振幅的相位隨界面動量的變化。

圖3:Andreev反射中的反常位移在(a)s-波超導,(b)手性p-波和(d)d-波超導下的行為。(c)手性p-波情況下,Andreev反射振幅的相位角在界面動量空間下的行為。

  研究反常位移現象的一般性模型可分為兩部分,一為入射區域,二為透射或目標區域,如圖1(a)所示。當入射的粒子束(比如光或電子)從入射區域向目標區域運動時,其在界面反射時可以產生反常位移現象。反常位移是一個定義於界面動量空間的矢量,其定義範圍為入射區域費米麪在界面動量空間上的投影,如圖1(b)所示。餘智明等人首先通過對稱性分析,指出當入射區域具有某些特定的對稱性,反常位移的環流必然是量子化的。特別重要的是,該量子化的對稱性要求其實並不苛刻。許多實驗上的常規體系,如普通金屬,即滿足上述量子化的對稱性要求。其後該工作計算了兩個具體的模型:普通金屬和外爾半金屬模型、以及普通金屬和超導體模型的反常位移。計算結果顯示反常位移的矢量場在界面動量空間中會形成量子漩渦,直接證明反常位移環流具有量子化的特性,如圖2和圖3所示。此外計算也表明量子化環流的值取決於外爾點和超導體的拓撲電荷。

  該工作表明,如果目標區域具有非零的拓撲電荷,則會導致非平庸的量子化的環路積分。而這也反過來表明,反常位移的環路積分可以用來探測目標區域的拓撲物性。鑑於量子化的物理量在物理學中所具有的重要性,該工作將極大的促進反常位移和新奇拓撲材料的研究。

  該文章發表於物理學頂級期刊《Physical Review Letters》,作者為劉影、餘智明(通訊作者)、肖聰和楊聲遠(Ying Liu, Zhi-Ming Yu*, Cong Xiao, and Shengyuan A. Yang),Physical Review Letters 125, 076801 (2020)。 文章鏈接://doi.org/10.1103/ PhysRevLett.125.076801

 

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