同濟聲子中心團隊PNAS：來自固體彈性波的本征自旋

【引言】

固體彈性性質是材料很重要的基礎屬性。自旋作為近代量子物理中的最重要的基本概念之一，又怎么跟固體材料彈性波聯系起來了呢？在微觀世界中，除了廣泛被討論的能量守恒和動量守恒，角動量守恒也扮演著非常重要的角色。基于角動量守恒，半導體器件中的各個固體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。磁性材料里的自旋研究已經揭示了許多物理現象中的內在本質，并且能和各種復雜的電光聲物理過程相聯系。因此，對作為自旋傳播新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，為未來的材料器件設計提供了新的思路。

【成果簡介】

近日，同濟大學物理科學與工程學院聲子學與熱能科學中心發表了關于固體材料彈性波自旋的最新研究成果，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，青年千人任捷教授為論文通訊作者，陳鴻教授為論文合作者。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；而對于彈性縱波聲學縱波，其并不具備攜帶自旋角動量的能力。而在這項工作中，同濟聲子中心的團隊挑戰并刷新了人們對于彈性波自旋的認識，證明了彈性縱波能夠攜帶自旋角動量。同時，更重要地，這里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。因此彈性波的自旋，不僅含有來自縱波（位移場u_L）和橫波（位移場u_T）各自的自旋，還要考慮來自兩者雜化耦合產生的自旋貢獻。換句話說，彈性波自旋可以從物理上拆分為三部分：

其中，是縱波的自旋貢獻，是橫波的自旋貢獻，則為橫波和縱波同時存在時的雜化自旋貢獻，為spin-1的自旋算符。

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系，這體現了彈性波潛在的自旋軌道耦合關系。通過利用拓撲物理學對該耦合關系進行詳細論述，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。任捷教授表示：“該項理論工作雖然是基于彈性波來展示其物理現象，但正如文中所述，結論并不局限于彈性波系統，可以推廣到任意矢量場系統中的波的自旋性質。”?相關成果以題為“Intrinsic spin of elastic waves”發表在了PNAS上。

【圖文導讀】

圖1. 任意矢量波中的幾何與自旋。對于縱波和橫波，它們的極化與波矢的強依賴關系反映了其潛在的自旋軌道耦合關系。

（A）對于縱波而言，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）對于橫波，利用波的疊加干涉也可以實現非零的橫波自旋角動量。

（C）而對于橫波與縱波的混合波，其雜化自旋則來源于混合波的場分量干涉后產生的自旋角動量。

圖2. 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，這個自旋角動量源于自旋的雜化。

（B,?C）對于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3. 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，類比于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。

【小結】

彈性波既支持橫波，也支持縱波，是最理想的揭露自旋性質的平臺。在本研究中，同濟聲子中心團隊以固體材料彈性波為平臺揭露了波動自旋的本質，并分析了一系列與自旋有關的物理現象，刷新了人們對于自旋的固有認識，為以后的基于固態的自旋器件研發提供了新的思路。

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于以調控聲子行為，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，揭示和闡述了許多復雜熱科學現象背后的物理本質，創新性地提出了很多建設性的聲子器件設計方案。

美國科學院院刊《PNAS》是與Nature、Science齊名，被引用次數最多的綜合學科文獻之一。自1914年創刊至今，PNAS提供具有高水平的前沿研究報告、學術評論、學科回顧及前瞻、學術論文，收錄的文獻涵蓋多種科學。

該項研究得到了國家自然科學基金，國家重點研發計劃，中組部“青年千人計劃”的資助。

文獻鏈接： “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

本文作者為Xonics?Lab，由材料人編輯部Alisa編輯，材料牛整理。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu，我們會邀請各位老師加入專家群。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。