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撰稿| 由课题组供稿
导读
自旋角动量（SAM）在自旋器件、选择性激发等方向彰显了巨大的潜力。近年来，基于声自旋角动量在理论和实验上的相继提出，在实际应用中开展声自旋角动量的研究具有非常重要的意义，包括声学贝塞尔光束的自旋轨道耦合，声自旋导致的扭矩在声镊里的潜在应用等等。近日，同济大学声子中心任捷课题组提出了一种利用不同反射相位边界的非对称波导管，可以实现非零的声自旋及其自旋动量耦合，从而实现声的自旋输运调控。在波导管中不同传输方向的声波具有相反的自旋角动量，因此可根据自旋角动量匹配实现通道选择性传输。并且这种自旋相关的输运是鲁棒性的，随管道弯折产生的衰减比普通波导管要小很多。另外，对于这种具有超表面的波导管，还可以通过旋转原胞的边界实现相位调制，这对于信息传输和传感等都具有广阔的应用前景。此外，值得关注的是这个声自旋相关输运是在体系的主体内进行的，而不是界面上。该工作以“Realization of acoustic spin transport in metasurface waveguides”为题，于2020年9月18日发表在Nature Communications上。
声学是物理科学中的一个重要分支，是人们最早研究的物理现象。而自旋角动量作为物理系统一种内禀的性质，在量子光学器件，自旋选择性等离激元激发等方向都具有非常广泛的应用价值。但是在过去，关于声学角动量的研究大多是集中在轨道角动量上面。这是因为声波作为一种纵波，它是无旋的，所以人们并没有考虑自旋角动量存在的可能性。对于传统的声压场来说，仅仅用标量来表征声波就足够了，而经典场论认为标量场的自旋角动量值为零。所以声自旋角动量被忽略了。
直到近年来，当将声学视为速度矢量场之后，才揭示了声学自旋角动量的存在。因此声自旋角动量可以与声速度场的圆（一般为椭圆）极化剖面联系在一起，而这与保守声速度场的零涡旋是并不冲突的。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。
在这篇文章中，同济大学的科学家们用具有超表面边界的波导结构，模拟和实验演示了多个声自旋角动量相关的鲁棒性输运。超表面边界的共振腔结构对特定波长的声波可以产生不同于普通波导边界的反射相位。所以在引入超表面边界后，利用其产生的非平凡反射相位，可以在特定波导模式中构造非零声自旋角动量。由于这些自旋角动量与波的传播方向是强耦合的，所以当传播方向的声波自旋与超表面构成的自旋模式不匹配时，声波导管模式会强烈抑制背散射。同时，该工作揭示了这种传输的鲁棒性，以及在弯折波导中以远小于普通波导的损耗进行传输，并对这种鲁棒性进行了模拟仿真和实验测量验证。
此外，该工作还提出，由于只有自旋模式匹配的声波才不会在传输中受到抑制，声波面对多个不同自旋模式的通道只会选择模式匹配的通道进行传输。这种模态的声自旋与声波传播方向强耦合，具有类似于量子霍尔效应的自旋动量锁定效应。
最后，该工作展示了一个螺旋结构的超表面波导，并测量了在等效外加场条件下引入的相位。这种特性类似于磁场调制的自旋进动，可以引入额外的相位调制。
图1边界条件对称破缺的波导管中的自旋角动量。
a波导管中自旋依赖的波传播的图像。根据声自旋角动量定义，波传播过程中的速度场(灰色箭头)的圆形演化反映了横截面自旋角动量是非零的。
b 具有不同反射相位的非对称边界条件的波导管的横截面。
c 沿z方向的自旋决定的色散关系。红色/蓝色分别表示本征模的声自旋角动量的符号，红色表示自旋为正，蓝色代表自旋为负。
d 利用放置在波导中心的自旋源(圆偏振声偶极子)可实现这些波导模的选择性激发。
图2具有超表面边界的声波导管的自旋角动量。
a 侧边的共振腔可以用来实现具有任意反射相位的声超表面。
b 超表面波导管的原胞。
c z方向的色散关系，红色和蓝色表示了本征模式的横截面自旋角动量Sy的符号。
d 在2.9 kHz时，不同传播方向的波导模式具有相反的自旋角动量。
e 超表面波导管中心点椭圆偏振速度场的仿真结果。速度场使用Vz的振幅进行归一化。紫色箭头和带箭头的红色圆表示了速度场的极化及其时间演化。
图3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。
理论计算结果、数值模拟结果和实验结果都吻合的非常好。实验上的自旋角动量密度图像Sy是在2.9kHz测量的且k >0(对应图2(c)中的红色圆圈位置)。
图4声自旋传输的弯折效应。
a弯曲角不同的超表面边界波导管。这里给出了两种带角缺陷弯曲结构的弯曲情况。灰色和蓝色分别表示声硬边界和反射相位不同的理想超表面边界。
b超表面波导(红色虚线)和常规圆形波导(蓝色虚线)随着弯曲角变化的透射率。
图5 声传输中声自旋角动量诱导的鲁棒性以及自旋角动量相关的声波路径选择。
a鲁棒性可以通过带或者不带超表面边界的波导与未受扰动的直波导的透过率比值来反映。压力场是归一化的。
b实验设置。用声源激发波导模，用声波探测器测量压力场。通过计算相同长度的U形波导与直波导的投射率比值得到了透射比。
c实验结果表明，声波模式的非零自旋角动量以及相关的自旋动量耦合将抑制背散射。
d对于多通道时，由于自旋角动量匹配，声波会有选择地沿一侧传播。入射声波的自旋反转将使输出波选择另一个通道。这种声自旋选择的方向性让人想起电子和光子的自旋霍尔效应。
e基于自旋角动量匹配选择性输运的实验结果。作者记录了A端口和B端口的压力场强度。端口A和B之间的声压强度比值揭示了这种基于声自旋角动量的选择性。
f显示了强选择性的实验现象(蓝线)。红线为没有超表面的正常T型波导管中，声波的输运会被平均分配到两个端口，即A =B。
图6 螺旋超表面边界波导管旋转声自旋作为相位调制器。
A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。
B实验上在2.85 kHz和2.9 kHz上的测量到的声额外相位差，误差条为标准偏差。
该文证明了由具有非平凡反射相位的特殊边界产生的与自旋有关的声输运机制是在体态内而不是界面态。相较于传统的纵波场无自旋的观点，该工作在声波这一纯纵波具有自旋角动量的基础上，用超表面构造了具有非零自旋传输模式的波导，并揭示了由声自旋角动量带来的自旋选择性传输和由自旋动量锁定带来的类量子霍尔效应。这一研究结果将为流体和固体声波中的自旋机制提供新的观点，并为声自旋相关的波调控提供新的思路。
该成果以“超表面波导管实现声自旋传输”（Realization of acoustic spin transport in metasurface waveguides）为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）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。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成果，在《美国科学院院报》（PNAS）[Proc. Natl. Acad. Sci. U SA 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)]等国际期刊上发表了系列重要研究。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。
文章链接
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18599-y
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