华中科技大学物理学院于涛教授课题组撰文综述异质界面处的电磁近邻效应

10月23日，物理学综述期刊Physics Reports在线刊发物理学院于涛教授“量子磁性与自旋物理”课题组受邀撰写的题为“Electromagnetic Proximity Effects at Heterointerfaces”的94页长篇综述文章。于涛为论文的第一及通讯作者。毕业生周熙涵、日本东北大学Gerrit E.W. Bauer教授、莫斯科物理技术学院I. V. Bobkova教授为论文的共同作者。华中科技大学为论文的第一单位。

超导体与铁磁体之间的交换相互作用是几十年来凝聚态物理研究中的一个核心课题。研究表明，由于磁性会抑制库伯对的形成，超导相与磁性相接触后会互相排斥。寻找既能使两种互斥物相共存，又能使两种物相的准粒子激发态产生有效耦合的普适机制就成为凝聚态物理研究的一个难点。得益于纳米材料制备与微结构调控技术的突破，研究人员得以精确构筑超导体与铁磁体层叠的异质结构。对这些结构的理论和实验研究，揭示了一种新型量子相互作用——电磁近邻效应（electromagnetic proximity effect）。

电磁近邻效应以两个物理系统在界面或表面处的倏逝波或者表面态作为媒介实现准粒子超强耦合。理论证明，任何由磁偶极子或电偶极子发出、并在界面处呈倏逝态的矢量场，其“自旋”（圆偏振）、波矢与界面法线（通常取波的衰减方向）方向之间，遵循一个普适的右手定则。这意味着该场具有固有的“手性”。这一普适规律被研究者称为“手性定理”。具体来说，对于一个远离界面衰减的矢量场，在满足无源性和横向自旋的条件下，这个矢量场天然是右手性的。在时间反演对称性被破坏时，这种右手性使得倏逝波表现为表面-动量锁定；在时间反演对称性没有被破坏时，倏逝波表现为自旋-动量锁定。这使得大部分电磁近邻效应与手性物理天然具有联系。例如，研究表明，由磁序激发的自旋波的量子——磁振子，通常以GHz至THz频率范围内振荡；它们辐射出具有手性特征的电磁场。该场能够穿透超导层，引发超导体中的迈斯纳超电流响应。迈斯纳超电流产生的电磁场的反作用又进一步调制磁振子运动，形成一种非接触、双向耦合的电磁反馈体系，这就是电磁邻近效应的一种实现方式，如图1所示。

图1.超导-铁磁体之间的电磁近邻效应

电磁近邻效应突破了传统的接触型交换相互作用，深化了人们对超导–磁性界面的理解，揭示了新的能量与角动量传输途径，为研究异质界面处准粒子之间的耦合提供了新的研究思路。

电磁近邻效应的提出受到超导体与铁磁体界面处准粒子相互作用的启发，并被拓展到超导体与反铁磁体、正常金属与铁磁体、正常金属与超导体、铁电体与真空界面、铁电体与超导体、量子比特与铁磁体等物理对象之间的相互作用。基于此效应，研究者预言了多种新型的复合准粒子，部分获得了实验的观测和持续关注。

该综述系统总结了过去五年该领域的理论与实验进展，旨在从基础理论、实验进展及潜在器件应用三个层面描述电磁邻近效应在物理基本规律、物理现象和量子器件功能上带来的可能突破。

论文链接

https://authors.elsevier.com/a/1l%7ESd1KAVttYWP