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自旋是一个重要且历史悠久的物理概念。从经典力学中陀螺的旋转到量子力学中的电子自旋,自旋角动量(SAM)的概念随着物理学的发展而得到补充,完善,其是科研工作者们用于认知,探索世界的极为重要的物理量之一。人们对波动体系(如电磁场中的电磁波,固体中的弹性横波)具有的自旋角动量,也早有研究。但是由于纯纵波系统不像横波系统(如电磁波)一样具有显而易见的旋度,纯纵波系统具有的自旋角动量很大程度上被掩盖了。事实上,纯纵波系统不仅具有自旋角动量,更具有与自旋角动量概念不可分割的物理性质。近日,同济大学任捷课题组提出了一种非对称波导管,可以实现非零的声自旋,并具有自旋动量锁定效应,从而实现波的自旋选择性输运。这一工作,加深了对于纵波系统自旋角动量的认知,并为声波传输的控制提供了全新的思路。
同济大学物理科学与工程学院声子学中心的任捷教授团队,利用声学超表面构造了具有非对称反射边界的声学波导,实现了具有非零声自旋角动量的波导模式。这种模式具有自旋动量锁定效应,且具有较强鲁棒性和自旋选择性传输的特性。通过调节超表面波导的结构,可以选择性传输特定的声学自旋模式,显著降低声波在弯折波导中传输的损耗,并且可以调制声学自旋模式的相位。这提供了一种全新的操控声波传输的方式,展示了自旋角动量在操纵波动体系时所具有的强大潜力。
研究成果于2020年9月18日以“Realization of acoustic spin transport in metasurface waveguides”为题发表在Nature Communication上。同济大学物理学院博士研究生龙洋和博士研究生张丹妹为共同第一作者,任捷教授为通讯作者,陈鸿教授、葛剑敏教授,杨晨温博士生对文章做出了重要贡献。
声学是人们最早研究的物理现象之一,是物理学科中的一个重要的分支。人们关于声波的探究从未停止。而自旋作为一种物理系统存在的内禀性质,能够揭示波的基本几何和拓扑性质以及多种物理机制之间复杂的相互作用。大量研究表明,圆偏振横波可以携带非平凡的自旋密度,具有量子自旋霍尔效应。但是在过去,关于声波自旋的研究还很匮乏。声波是一种纵波,它是无旋场。对于传统的声压场来说,仅用标量来表征就足够了。再加上经典场论认为标量场的自旋角动量为零,声波的自旋角动量就被忽略了。所以,人们关于声学角动量的研究大多集中在轨道角动量上。
直到2018年,该团队基于弹性波的平台,首次提出了纵波由于其特殊的自旋轨道耦合而具有独特的自旋角动量,它是真实的自旋角动量,而不是赝自旋(Long, Y., Ren J. & Chen H. Intrinsic spin of elastic waves. Proc. Natl. Acad. Sci. U SA 115, 9951-9955(2018))。这个工作补充了人们关于纵波自旋的认识。在纵波自旋没有被提出来的时候,很多能够在光子系统中实现的有趣物理现象,比如自旋霍尔效应,量子自旋霍尔效应、各向同性介质中的自旋动量锁定等都不能在声学系统中实现。纵波自旋角动量的提出使这些称为了可能。
但是,应该如何在实验中观察到纵波的自旋呢?2019年,他们与美国加州大学伯克利分校、美国佐治亚理工学院的团队合作(Shi, C. et al. Observation of acoustic spin. Natl. Sci. Rev. 6, 707-712(2019))。实验物理学家利用相互垂直的空气声波干涉场以及声栅波导管中传播的渐进倏逝波中观测到了声波自旋,也就是纵波的自旋。两个相互垂直的声波分别贡献了一个垂直分量,当他们相位相差90度的时候,声波的偏振发生了极化旋转,从而导致了声波的自旋角动量,并可以利用这一自旋产生一个能够控制粒子旋转的力矩。
在光学里,通常波的定向输运以其类量子自旋霍尔效应为基础,利用不同的自旋或手性通过自旋动量锁定实现。在已经于理论和实验上揭示了声波自旋角动量的存在的基础上,应该如何进一步合理运用这些效应呢?2020年,任捷团队和南京大学团队合作,进一步在实验和理论上系统地揭示了近场倏逝波固有的几何及对称性质,提出了实现选择性近场纵波耦合的方案(Long, Y. et al. Symmetry selective directionality in near-field acoustics. Natl. Sci. Rev. 7, 1024–1035 (2020).)。这篇工作还提出了比声自旋更进一步的方案,Janus源和Huygens源,展示了声学中的“双面神”。
基于这些关于纵波自旋角动量认识的改进,在实际应用中研究声自旋角动量就具有了非常重要的意义。在最新的工作中,任捷团队用具有非对称反射边界的波导结构,同时在理论和实验上演示了多个声自旋角动量相关的鲁棒性输运。
图一:非对称反射边界波导管极其传输模式
具有非对称反射边界的波导管产生声自旋的原理图如图一所示。单侧软边界能够引入不同于硬边界的反射相位,这使声波在波导中传输时两侧反射相位相反,导致了非零的自旋角动量,构成了具有自旋动量锁定效应的自旋波导模式。
图二:非对称超表面波导管结构极其性质
而这个单侧软边界的实现利用的为一种超表面结构。这种超表面结构是利用共振腔阵列实现的(图二),并引入自旋波导模式,在2850Hz到2950Hz频率范围内产生净自旋(图三)。在2900Hz时,理论实验仿真吻合的都非常好。
图三:波导管截面上自旋角动量密度的理论、数值和实验结果对比。
图四:声学自旋模式和非自旋模式在弯折波导管中的传输
而当声波在弯折波导管中传输时,具有自旋的模式在弯折角度趋近于九十度时,其透射率显著大于非自旋模式(图四)。
图五:声传输中声自旋角动量引发的鲁棒性以及自旋角动量相关的声波的选择性传输
在连续弯折波导管中,具有自旋角动量的传输模式透射率显著大于普通波导模式(图五a,b,c)。由于自旋动量锁定,声波将会选择与其传输模式自旋相匹配的波导通道传输(图五d,e,f)。
图六:通过螺旋状波导管的超表面边界旋转声自旋方向作为相位调制器。
进一步的,螺旋超表面波导的边界将引发自旋旋转,类似于在一个有效的“磁场”下的电子自旋进动过程(图六)。
该工作提出了一种具有超表面边界的波导管可以传输携带自旋角动量的声波,这种波导可以在散射体不足以翻转声波自旋时抑制背散射。该性质是由梳状超表面造成具有不同反射相位,从而实现等效的声软边界。在特殊边界定义的自旋结构下,声波自旋输运得到了实验证明。比如说,抑制声波散射,具有类似自旋霍尔效应的自旋选择声波路由,以及带有自旋旋转的相位调制器。这些均为操纵声波传输提供了全新的方法和思路。
近年来该同济团队与合作者在声自旋领域取得了系列原创性的成果,在《美国国家科学院院刊》(PNAS)[Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115, 9951-9955(2018)]、《国家科学评论》(NSR)[Natl. Sci. Rev. 6, 707-712(2019) 、Natl. Sci. Rev. 7, 1024–1035 (2020)]等国际期刊上已经发表了一系列重要研究。本项工作得到了国家重点研发项目,国家自然科学基金,上海市科委,上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室等项目资助。
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