美国科学院院刊《PNAS》报道中国科学家揭示弹性波自旋- 大数跨境

两江科技评论

2018-10-17

导读：同济大学物理科学与工程学院声子学与热能科学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，揭示了弹性波中的自旋本质属性。

导读

近期，同济大学物理科学与工程学院声子学与热能科学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，揭示了弹性波中的自旋本质属性。相关工作以“Intrinsic Spin of Elastic Waves”为题，发表在《PNAS》上。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。

创新研究

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（见图1）。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（见图2）。因此弹性波的自旋，不仅含有来自纵波（位移场）和横波（位移场）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（见图3）：

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（见图4）。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。”

自旋作为现代物理中的最重要的基本概念之一，揭示了许多物理现象中的内在运作本质，并且能和各种复杂的物理过程相联系，进而扩大人们对基础物理过程的认识。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，因此，对作为自旋传播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，为未来的器件设计提供了新的思路。

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《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。