中國科學家揭示彈性波自旋

近期，同濟大學物理科學與工程學院聲子學與熱能科學中心在國際頂級學術期刊PNAS上發表了關於彈性波自旋的最新研究成果—Intrinsic Spin of Elastic Waves（詳細論文信息見文末），揭示了彈性波中的自旋本質屬性。博士生龍洋為論文第一作者，任捷教授為論文通訊作者，陳鴻教授為論文合作者。

撰文 Xonics Lab

160年前，赫爾曼·馮·亥姆霍茲發布了他著名的場分解定理，揭示了任意矢量場一定可以分解成無散的橫波場和無旋的縱波場。然而，過去一直以來，人們認為只有電磁波或類似電磁波的彈性橫波才能擁有自旋；而對於彈性縱波聲學縱波，其並不具備攜帶自旋角動量的能力。同濟聲子中心的團隊挑戰並刷新了人們對於彈性波自旋的認識，證明了彈性縱波能夠攜帶自旋角動量（圖1）。同時，更重要地，這裡還存在一種新的自旋角動量形式，即縱波橫波雜化產生的雜化自旋角動量（圖2）。

同時，該項研究發現彈性波中的自旋角動量與彈性波動量表現出強烈的依賴關係，這體現了彈性波潛在的自旋軌道耦合關係。通過利用拓撲物理學對該耦合關係進行詳細論述，該項研究成功解釋了多種和彈性波自旋有關的現象: 彈性波的類自旋霍爾效應和類量子自旋霍爾效應（圖4）。任捷教授表示：「該項理論工作雖然是基於彈性波來展示其物理現象，但正如文中所述，結論並不局限於彈性波系統，可以推廣到任意矢量場系統中的波的自旋性質。」

自旋作為現代物理中的最重要的基本概念之一，揭示了許多物理現象中的內在運作本質，並且能和各種複雜的物理過程相聯繫，進而擴大人們對基礎物理過程的認識。在微觀世界中，除了廣泛被討論的能量守恆和動量守恆，角動量守恆也扮演著非常重要的角色。基於角動量守恆，半導體器件中的各個組件可以通過以自旋為主的傳播通道進行遠距離耦合作用，因此，對作為自旋傳播載體的彈性波和電磁波，揭露和探討它們的自旋性質越來越重要。該成果彌補了彈性波自旋研究的空白，為未來的器件設計提供了新的思路。

同濟大學物理科學與工程學院的聲子學與熱能科學中心長期致力於以調控聲子行為，熱輸運，彈性波傳播為主的基礎理論研究和原理器件開發。從聲子學與熱能科學中心成立至今，已發表了一系列重要的研究成果在國際頂尖期刊上，揭示和闡述了許多複雜熱科學現象背後的物理本質，創新性地提出了很多建設性的聲子器件設計方案。

圖1 彈性縱波有限寬波束中的自旋分布。（A）縱波高斯波束會攜帶非零的自旋角動量分布，呈現出以傳播方向為軸的反對稱形式，兩側自旋相反。（B）從波束中的位移場分布可以看出兩側呈現相反的等效圓極化形式。

圖2 任意矢量波中的幾何與自旋。-對於縱波和橫波，它們的極化與波矢的強依賴關係反映了其潛在的自旋軌道耦合關係。（A）對於縱波而言，利用不同傳播方向的波進行疊加干涉，可以實現非零的縱波自旋角動量分布。（B）對於橫波，利用波的疊加干涉也可以實現非零的橫波自旋角動量。（C）而對於橫波與縱波的混合波，其雜化自旋則來源於混合波的場分量干涉後產生的自旋角動量。

圖3 彈性波的自旋雜化。（A）當兩種不同類型的彈性波：縱波和橫波，沿著同一方向傳播時，他們的總場會擁有非零的自旋角動量分布，這個自旋角動量源於自旋的雜化。（B, C）對於原本具有非零橫波自旋角動量的彈性波，利用自旋雜化，彈性波的總自旋方向會繞著傳播方向發生旋轉，類似進動。

圖4 彈性波中自旋動量鎖定現象。（a）利用兩個具有圓極化的彈性波點源實現體波的非對稱激勵。（b）利用不同的圓極化彈性波點源實現彈性表面波的單方向激勵，類比彈性波的量子自旋霍爾效應。（c）利用不同的圓極化彈性波點源實現各向異性介質中的彈性波選擇性激勵，類比於彈性波的自旋霍爾效應。（d）利用嵌入在彈性介質（比如，鋁）表面的具有一定相位差的壓電陶瓷片，可以實現不同圓極化的彈性波點源。

論文信息

標題Intrinsic spin of elastic waves

作者Yang Long, Jie Ren, and Hong Chen

發表日期October 2, 2018 115 (40) 9951-9955; published ahead of print September 18, 2018

摘要

Unveiling spins of physical systems usually gives people a fundamental understanding of the geometrical properties of waves from classical to quantum aspects. A great variety of research has shown that transverse waves can possess nontrivial spins and spin-related properties naturally. However, until now, we still lack essential physical insights about the spin nature of longitudinal waves. Here, demonstrated by elastic waves, we uncover spins for longitudinal waves and the mixed longitudinal–transverse waves that play essential roles in spin–momentum locking. Based on this spin perspective, several abnormal phenomena beyond pure transverse waves are attributed to the hybrid spin induced by mixed longitudinal–transverse waves. The unique hybrid spin reveals the complex spin essence in elastic waves and advances our understanding about their fundamental geometrical properties. We also show that these spin-dependent phenomena can be exploited to control the wave propagation, such as nonsymmetric elastic wave excitation by spin pairs, a unidirectional Rayleigh wave, and spin-selected elastic wave routing. These findings are generally applicable for wave cases with longitudinal and transverse components.

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