同济声子中心团队PNAS：来自固体弹性波的本征自旋

【引言】

固体弹性性质是材料很重要的基础属性。自旋作为近代量子物理中的最重要的基本概念之一，又怎么跟固体材料弹性波联系起来了呢？在微观世界中，除了广泛被讨论的能量守恒和动量守恒，角动量守恒也扮演着非常重要的角色。基于角动量守恒，半导体器件中的各个固体组件可以通过以自旋为主的传播通道进行远距离耦合作用。磁性材料里的自旋研究已经揭示了许多物理现象中的内在本质，并且能和各种复杂的电光声物理过程相联系。因此，对作为自旋传播新载体的弹性波和电磁波，揭露和探讨它们的自旋性质越来越重要。该成果弥补了弹性波自旋研究的空白，为未来的材料器件设计提供了新的思路。

【成果简介】

近日，同济大学物理科学与工程学院声子学与热能科学中心发表了关于固体材料弹性波自旋的最新研究成果，揭示了弹性波中的自旋本质属性。博士生龙洋为论文第一作者，青年千人任捷教授为论文通讯作者，陈鸿教授为论文合作者。160年前，赫尔曼·冯·亥姆霍兹发布了他著名的场分解定理，揭示了任意矢量场一定可以分解成无散的横波场和无旋的纵波场。然而，过去一直以来，人们认为只有电磁波或类似电磁波的弹性横波才能拥有自旋；而对于弹性纵波声学纵波，其并不具备携带自旋角动量的能力。而在这项工作中，同济声子中心的团队挑战并刷新了人们对于弹性波自旋的认识，证明了弹性纵波能够携带自旋角动量。同时，更重要地，这里还存在一种新的自旋角动量形式，即纵波横波杂化产生的杂化自旋角动量。因此弹性波的自旋，不仅含有来自纵波（位移场u_L）和横波（位移场u_T）各自的自旋，还要考虑来自两者杂化耦合产生的自旋贡献。换句话说，弹性波自旋可以从物理上拆分为三部分：

其中，是纵波的自旋贡献，是横波的自旋贡献，则为横波和纵波同时存在时的杂化自旋贡献，为spin-1的自旋算符。

同时，该项研究发现弹性波中的自旋角动量与弹性波动量表现出强烈的依赖关系，这体现了弹性波潜在的自旋轨道耦合关系。通过利用拓扑物理学对该耦合关系进行详细论述，该项研究成功解释了多种和弹性波自旋有关的现象: 弹性波的类自旋霍尔效应和类量子自旋霍尔效应。任捷教授表示：“该项理论工作虽然是基于弹性波来展示其物理现象，但正如文中所述，结论并不局限于弹性波系统，可以推广到任意矢量场系统中的波的自旋性质。” 相关成果以题为“Intrinsic spin of elastic waves”发表在了PNAS上。

【图文导读】

图1. 任意矢量波中的几何与自旋。对于纵波和横波，它们的极化与波矢的强依赖关系反映了其潜在的自旋轨道耦合关系。

（A）对于纵波而言，利用不同传播方向的波进行叠加干涉，可以实现非零的纵波自旋角动量分布。

（B）对于横波，利用波的叠加干涉也可以实现非零的横波自旋角动量。

（C）而对于横波与纵波的混合波，其杂化自旋则来源于混合波的场分量干涉后产生的自旋角动量。

图2. 弹性波的自旋杂化。

（A）当两种不同类型的弹性波：纵波和横波，沿着同一方向传播时，他们的总场会拥有非零的自旋角动量分布，这个自旋角动量源于自旋的杂化。

（B, C）对于原本具有非零横波自旋角动量的弹性波，利用自旋杂化，弹性波的总自旋方向会绕着传播方向发生旋转，类似进动。

图3. 弹性纵波有限宽波束中的自旋分布。

（A）纵波高斯波束会携带非零的自旋角动量分布，呈现出以传播方向为轴的反对称形式，两侧自旋相反。

（B）从波束中的位移场分布可以看出两侧呈现相反的等效圆极化形式。

图4. 弹性波中自旋动量锁定现象。

（A）利用两个具有圆极化的弹性波点源实现体波的非对称激励。

（B）利用不同的圆极化弹性波点源实现弹性表面波的单方向激励，类比弹性波的量子自旋霍尔效应。

（C）利用不同的圆极化弹性波点源实现各向异性介质中的弹性波选择性激励，类比于弹性波的自旋霍尔效应。

（D）利用嵌入在弹性介质（比如，铝）表面的具有一定相位差的压电陶瓷片，可以实现不同圆极化的弹性波点源。

【小结】

弹性波既支持横波，也支持纵波，是最理想的揭露自旋性质的平台。在本研究中，同济声子中心团队以固体材料弹性波为平台揭露了波动自旋的本质，并分析了一系列与自旋有关的物理现象，刷新了人们对于自旋的固有认识，为以后的基于固态的自旋器件研发提供了新的思路。

同济大学物理科学与工程学院的声子学与热能科学中心长期致力于以调控声子行为，热输运，弹性波传播为主的基础理论研究和原理器件开发。从声子学与热能科学中心成立至今，已发表了一系列重要的研究成果在国际顶尖期刊上，揭示和阐述了许多复杂热科学现象背后的物理本质，创新性地提出了很多建设性的声子器件设计方案。

美国科学院院刊《PNAS》是与Nature、Science齐名，被引用次数最多的综合学科文献之一。自1914年创刊至今，PNAS提供具有高水平的前沿研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、学术论文，收录的文献涵盖多种科学。

该项研究得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，中组部“青年千人计划”的资助。

文献链接： “Intrinsic spin of elastic waves”, Yang Long, Jie Ren, and Hong Chen, PNAS, 115 (40) 9951-9955 (2018). https://doi.org/10.1073/pnas.1808534115

本文作者为Xonics Lab，由材料人编辑部Alisa编辑，材料牛整理。

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