弹性波的自旋-轨道耦合和声子手性选择性- 大数跨境

首页

弹性波的自旋-轨道耦合和声子手性选择性

两江科技评论

2024-11-19

导读：近日，同济大学物理科学与工程学院任捷教授团队探究了弹性波导结构中弹性波的自旋轨道相互作用

欢迎课题组投递中文宣传稿，投稿方式见文末

导读

在矢量波场的研究中，自旋（偏振）和轨道（波场空间分布）是最基础的自由度。自旋轨道相互作用描述的就是这两个基本自由度之间相互影响，相互耦合的关系。这种关系可以为调控波场带来新手段和新原理。特别的，弹性波（即固体中的声波）是众多高精尖固体器件在设计和优化的时候绕不开的研究对象，探索弹性波的自旋轨道相互作用的原理，性质和现象是十分必要的。

近日，同济大学物理科学与工程学院任捷教授团队探究了弹性波导结构中弹性波的自旋轨道相互作用，该工作以“Chirality-Induced Phonon Spin Selectivity by Elastic Spin-Orbit Interaction”发表于《美国国家科学院的院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）[PNAS 121 (47), e2411427121 (2024)]。

研究亮点

探究弹性波导时，可以假设振动过程中，波导的横截面没有形变，把每个横截面都当成一个刚体去处理，即铁木辛柯梁模型。由此，三维弹性波导可当作一个一维链来处理，以波导中心线的弧长作为波传播的坐标，横截面的状态由刚体的六个自由度来表示，三个方向的平移加三个方向的旋转（如图1所示）。

图1：弹性波导横截面的平移，旋转及其对应的位移场(图B&C中的蓝色箭头)。

根据横截面的六个运动自由度，可以得到横截面内的位移场，进一步得到横截面携带的弹性波角动量。弹性波的自旋角动量SAM (Spin angular momentum)对应位移场的圆偏振特征（图2 H&I），横截面内部的轨道角动量IOAM (Intrinsic orbital angular momentum)对应绕横截面中心的螺旋等相位面（图2 J）。此外，在螺旋结构的波导中，还存在参考点在波导外部的非零角动量EOAM (Extrinsic orbital angular momentum)，对应波的传播路径（如图2 K）。

图2 (视频)：图中红色箭头为角动量方向，蓝色实线箭头为位移矢量，蓝色虚线箭头为位移矢量偏振状态。（A）弹性波导简图。（B）三个平移自由度对应的横截面位移场振动。（C）三个旋转自由度对应的横截面位移场振动。（D-E&H-I）弹性波的自旋角动量于位移场的圆极化偏振相关。(F&J) 弹性波的IOAM与螺旋的等相位波前相关。(G&K)弹性波的EOAM与波导的几何结构以及波的传播路径有关。

考虑一个曲率和挠率非零的螺旋波导，对局域坐标系123表述下的态矢量v（v可以是平移u也可以是旋转θ）做沿着波传播方向的空间偏导。对于直波导来说，空间偏导可以直接写成动量算符的形式，但是弯曲波导会多出与曲率和挠率正比的部分（如图3 A），代表了结构引起的等效旋转。此等效旋转最终会导致动力学方程中出现导致自旋-轨道相互作用的等效规范势（如图3 B）。

图3：（A）螺旋波导非零曲率κ和挠率τ带来等效旋转。（B）螺旋弹性波导的动力学方程，其中标红部分为自旋-轨道相互作用相关的等效规范势。

由动力学方程可以解得六个本征态（如图4），频率由低到高以m1到m6表示，其中m1,m2和m4以平移为主，m3，m5和m6以旋转为主。对于横向自旋S2，在紫色背景标示的频率区域，色散关系显示弹性波横向自旋有自旋-动量锁定效应。对于纵向自旋S3，色散图显示m1和m2具有相反方向的自旋，且具有不同的相速度，此性质与光学中的spin-redirection phase相似，与矢量波的几何相位有关。除了自旋之外，m5和m6模式携带方向相反的IOAM，对应轨道角动量版本的spin-redirection phase。由于整体上观察的话横截面内部振动影响比较小，主要看波的传播方向和波导的几何结构，因此各振动模式的EOAM性质类似。

图4：螺旋波导的角动量相关的色散关系

复合结构的螺旋波导具有手性诱导的自旋选择效应。在两段直波导中间，插入一段螺旋的部分，如图5。输入线偏振的波，右手螺旋波导输出的是自旋大于零的弹性波，左手螺旋波导输出的是自旋小于零的弹性波。

图5：手性诱导声子自旋选择(CIPSS)效应的仿真结果。（A）直-螺旋-直波导示意图。（B）输入线偏振弹性波（即自旋为零的弹性波），输出的弹性波自旋由螺旋部分波导的手性决定。黑色、红色和蓝色表示波导中线的形变。（C）输出信号的时域信号。（D）随着频率的增加，输出信号从线性极化过渡到圆极化，表明CIPSS的效率随着频率的提高而增加。

除了对零自旋输入选择性输出不同的弹性波自旋外，复合结构的波导还可以根据波导手性选择透射/削弱自旋信号，如图6所示。

图6：CIPSS 关于自旋依赖传输的演示。(A-D)展示了在右旋复合波导的非零自旋输入的 CIPSS。模拟结果以快照和时间-位移曲线图的形式显示。(A) 上图和下图分别显示了正负自旋时输入信号的位移，uy的相位与 ux 的相位差为-π/2 和π/2，分别对应Sz大于和小于零。(B)输入的模拟结果(时域截图)。其中红色和蓝色曲线分别表示正Sz和负Sz的信号的位移场包络线。(C) 输出的模拟结果(时域截图)。负Sz时的输出量比正Sz 时的输出量要小。(D) 输出侧记录的位移时域信号。(E)正负旋信号的透射率。

总结与展望

此工作由同济大学物理科学与工程学院任捷研究团队发表。其中，博士生杨晨温为第一作者，任捷教授为通讯作者。

该工作受科技部重点研发计划，基金委重点项目，上海市科委项目、原创探索、优秀学术带头人项目等支持。

同济大学任捷教授领导的课题组携手合作伙伴，在声波自旋、弹性波自旋及声子自旋领域取得了一系列重要成果，涵盖：弹性波自旋与轨道角动量理论的创新性提出，该成果发表于《美国国家科学院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci. 115, 9951, 2018）；空气声声自旋角动量与自旋力矩的实验验证，相关研究在《国家科学评论》（Natl. Sci. Rev. 6, 707, 2019）上发表；利用超表面波导管的对称性破缺，实现了声自旋输运的理论与实验探索，该成果发表于《自然-通讯》（Nat. Commun. 11, 4716, 2020）；近场对称性选择的手性耦合理论及其实验验证，也在《国家科学评论》（Natl. Sci. Rev. 7, 1024, 2020）中得以呈现；在弹性波系统中，课题组对弹性波自旋与声子自旋进行了深入探讨（见《中国物理快报》Chin. Phys. Lett. 39, 126301, 2022），并针对均匀介质（相关成果发表于《自然-通讯》Nat. Commun. 12, 6954, 2021及《物理评论快报》Phys. Rev. Lett. 131, 136102, 2023）以及拓扑声子晶体（研究成果发表于《物理评论快报》Phys. Rev. Lett. 129, 275501, 2022及《先进科学》Adv. Sci. 11, 2404839, 2024）中的弹性波自旋-动量锁定效应进行了理论与实验的综合研究。

课题组持续招募声子学与弹性波领域的博士生、博士后及青年教师，尤其欢迎具备实验背景的人才加入（联系方式：任捷教授，邮箱xonics@tongji.edu.cn）。课题组诚邀有志青年加入这一充满挑战与乐趣的研究方向，共同开创科研新篇章。