电子在界面散射中的反常位移

物理学之所以一直以来能受到大家广泛的热爱和关注，是因为其中蕴含了众多有趣且有待发现的物相及相关的新奇物性。近年来，凝聚态物理中一个重要的发展就是拓扑材料的提出和发现。随着现代实验技术的进步，我们可以像光学中控制光束一样调控电子束，带来了一个叫做电子光学（Electron Optics）的领域。拓扑材料和电子光学的相遇为凝聚态物理的研究带来一抹不一样的色彩。 

在几何光学中，一束光在光学界面处的反射行为遵循大家所熟知的光学反射定律，即入射电子和反射电子在同一个平面内，入射点和反射点是同一个点，以及入射角和反射角相等，如图1(a)所示。但后来的研究发现，由于光的波动性，左旋光或右旋光在反射过程中，其入射点和反射点在空间上可以是分离的，即入射光束和反射光束在反射界面处可以存在一个反常的位移，如图1(b)所示。该反常位移中的纵向(longitudinal)和横向(transverse)位移也分别被称为Goos–Hänchen位移和Imbert–Fedorov位移。 

图1光在界面处发生反射的示意图. (a) 遵从几何光学反射定律的反射. (b) 特定情况下，反射光和入射光在反射界面处存在一个反常的空间位移.

因为电子也同样具有波的性质，关于电子散射中是否也存在反常位移很早之前就受到了关注。相关研究也确实发现电子在反射过程中会发生纵向位移，但是电子散射中的横向位移却迟迟没有被发现。直到近年Weyl半金属的提出，横向位移现象才被重现于电子体系当中，而这也和Weyl半金属的拓扑性质息息相关。人们关于电子在散射过程的反常位移的研究并没有止步于此，而是进一步发现电子在金属/超导体界面的Andreev反射过程中依然可以存在反常位移，虽然在Andreev反射中，入射粒子和反射粒子的身份属性完全不同，一为电子而一为空穴，如图2所示。但也正是由于Andreev反射的独特性，关于反常横向位移的一种全新的物理机制才得以发现和提出，极大地扩展了人们对散射过程中反常位移的理解。  

 图2 Andreev反射示意图. Andreev反射发生于金属/超导体（NS）界面，在该过程中，由于超导能隙的存在，从正常金属一侧入射的电子无法直接进入超导一侧. 怎么办呢？这个入射电子可以拉上另一个电子形成一个库珀对（Cooper pair）而进入超导，相应地，一个空穴从界面被反射回正常金属一侧. 整个过程中粒子的能量是守恒的，但是电荷不守恒（因为正常金属一侧消失了两个电子）.

新加坡科技设计大学的余智明、刘影和杨声远最近发表在Frontiers of Physics上的综述“Anomalous spatial shifts in interface electronic scattering”总结了近年来电子在界面散射中反常位移的若干进展，主要集中于反常横向位移的进展，其中也包括了电子在金属/超导体界面处纵向位移的一些研究进展。本综述希望在给读者介绍本领域最新进展的同时，也能把反常位移发生的直观的物理图像传递给读者。

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