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撰稿| 由課題組供稿
自旋角動量（SAM）在自旋器件、選擇性激發等方向彰顯了巨大的潛力。近年來，基於聲自旋角動量在理論和實驗上的相繼提出，在實際應用中開展聲自旋角動量的研究具有非常重要的意義，包括聲學貝塞爾光束的自旋軌道耦合，聲自旋導致的扭矩在聲鑷裡的潛在應用等等。近日，同濟大學聲子中心任捷課題組提出了一種利用不同反射相位邊界的非對稱波導管，可以實現非零的聲自旋及其自旋動量耦合，從而實現聲的自旋輸運調控。在波導管中不同傳輸方向的聲波具有相反的自旋角動量，因此可根據自旋角動量匹配實現通道選擇性傳輸。並且這種自旋相關的輸運是魯棒性的，隨管道彎折產生的衰減比普通波導管要小很多。另外，對於這種具有超表面的波導管，還可以通過旋轉原胞的邊界實現相位調製，這對於信息傳輸和傳感等都具有廣闊的應用前景。此外，值得關注的是這個聲自旋相關輸運是在體系的主體內進行的，而不是界面上。該工作以「Realization of acoustic spin transport in metasurface waveguides」為題，於2020年9月18日發表在Nature Communications上。
聲學是物理科學中的一個重要分支，是人們最早研究的物理現象。而自旋角動量作為物理系統一種內稟的性質，在量子光學器件，自旋選擇性等離激元激發等方向都具有非常廣泛的應用價值。但是在過去，關於聲學角動量的研究大多是集中在軌道角動量上面。這是因為聲波作為一種縱波，它是無旋的，所以人們並沒有考慮自旋角動量存在的可能性。對於傳統的聲壓場來說，僅僅用標量來表徵聲波就足夠了，而經典場論認為標量場的自旋角動量值為零。所以聲自旋角動量被忽略了。
直到近年來，當將聲學視為速度矢量場之後，才揭示了聲學自旋角動量的存在。因此聲自旋角動量可以與聲速度場的圓（一般為橢圓）極化剖面聯繫在一起，而這與保守聲速度場的零渦旋是並不衝突的。基於這些關於縱波自旋角動量認識的改進，在實際應用中研究聲自旋角動量就具有了非常重要的意義。
在這篇文章中，同濟大學的科學家們用具有超表面邊界的波導結構，模擬和實驗演示了多個聲自旋角動量相關的魯棒性輸運。超表面邊界的共振腔結構對特定波長的聲波可以產生不同於普通波導邊界的反射相位。所以在引入超表面邊界後，利用其產生的非平凡反射相位，可以在特定波導模式中構造非零聲自旋角動量。由於這些自旋角動量與波的傳播方向是強耦合的，所以當傳播方向的聲波自旋與超表面構成的自旋模式不匹配時，聲波導管模式會強烈抑制背散射。同時，該工作揭示了這種傳輸的魯棒性，以及在彎折波導中以遠小於普通波導的損耗進行傳輸，並對這種魯棒性進行了模擬仿真和實驗測量驗證。
此外，該工作還提出，由於只有自旋模式匹配的聲波才不會在傳輸中受到抑制，聲波面對多個不同自旋模式的通道只會選擇模式匹配的通道進行傳輸。這種模態的聲自旋與聲波傳播方向強耦合，具有類似於量子霍爾效應的自旋動量鎖定效應。
最後，該工作展示了一個螺旋結構的超表面波導，並測量了在等效外加場條件下引入的相位。這種特性類似於磁場調製的自旋進動，可以引入額外的相位調製。
圖1邊界條件對稱破缺的波導管中的自旋角動量。
a波導管中自旋依賴的波傳播的圖像。根據聲自旋角動量定義，波傳播過程中的速度場(灰色箭頭)的圓形演化反映了橫截面自旋角動量是非零的。
b 具有不同反射相位的非對稱邊界條件的波導管的橫截面。
c 沿z方向的自旋決定的色散關係。紅色/藍色分別表示本徵模的聲自旋角動量的符號，紅色表示自旋為正，藍色代表自旋為負。
d 利用放置在波導中心的自旋源(圓偏振聲偶極子)可實現這些波導模的選擇性激發。
圖2具有超表面邊界的聲波導管的自旋角動量。
a 側邊的共振腔可以用來實現具有任意反射相位的聲超表面。
b 超表面波導管的原胞。
c z方向的色散關係，紅色和藍色表示了本徵模式的橫截面自旋角動量Sy的符號。
d 在2.9 kHz時，不同傳播方向的波導模式具有相反的自旋角動量。
e 超表面波導管中心點橢圓偏振速度場的仿真結果。速度場使用Vz的振幅進行歸一化。紫色箭頭和帶箭頭的紅色圓表示了速度場的極化及其時間演化。
圖3波導管截面上自旋角動量密度的理論、數值和實驗結果對比。
理論計算結果、數值模擬結果和實驗結果都吻合的非常好。實驗上的自旋角動量密度圖像Sy是在2.9kHz測量的且k >0(對應圖2(c)中的紅色圓圈位置)。
圖4聲自旋傳輸的彎折效應。
a彎曲角不同的超表面邊界波導管。這裡給出了兩種帶角缺陷彎曲結構的彎曲情況。灰色和藍色分別表示聲硬邊界和反射相位不同的理想超表面邊界。
b超表面波導(紅色虛線)和常規圓形波導(藍色虛線)隨著彎曲角變化的透射率。
圖5 聲傳輸中聲自旋角動量誘導的魯棒性以及自旋角動量相關的聲波路徑選擇。
a魯棒性可以通過帶或者不帶超表面邊界的波導與未受擾動的直波導的透過率比值來反映。壓力場是歸一化的。
b實驗設置。用聲源激發波導模，用聲波探測器測量壓力場。通過計算相同長度的U形波導與直波導的投射率比值得到了透射比。
c實驗結果表明，聲波模式的非零自旋角動量以及相關的自旋動量耦合將抑制背散射。
d對於多通道時，由於自旋角動量匹配，聲波會有選擇地沿一側傳播。入射聲波的自旋反轉將使輸出波選擇另一個通道。這種聲自旋選擇的方向性讓人想起電子和光子的自旋霍爾效應。
e基於自旋角動量匹配選擇性輸運的實驗結果。作者記錄了A埠和B埠的壓力場強度。埠A和B之間的聲壓強度比值揭示了這種基於聲自旋角動量的選擇性。
f顯示了強選擇性的實驗現象(藍線)。紅線為沒有超表面的正常T型波導管中，聲波的輸運會被平均分配到兩個埠，即A =B。
圖6 螺旋超表面邊界波導管旋轉聲自旋作為相位調製器。
A螺旋超表面波導的邊界將引發自旋旋轉,類似於在一個有效的「磁場」下的電子自旋進動過程。
B實驗上在2.85 kHz和2.9 kHz上的測量到的聲額外相位差，誤差條為標準偏差。
該文證明了由具有非平凡反射相位的特殊邊界產生的與自旋有關的聲輸運機制是在體態內而不是界面態。相較於傳統的縱波場無自旋的觀點，該工作在聲波這一純縱波具有自旋角動量的基礎上，用超表面構造了具有非零自旋傳輸模式的波導，並揭示了由聲自旋角動量帶來的自旋選擇性傳輸和由自旋動量鎖定帶來的類量子霍爾效應。這一研究結果將為流體和固體聲波中的自旋機制提供新的觀點，並為聲自旋相關的波調控提供新的思路。
該成果以「超表面波導管實現聲自旋傳輸」（Realization of acoustic spin transport in metasurface waveguides）為題發表在《自然通訊》（Nature Communications）上。同濟大學物理學院博士研究生龍洋和博士研究生張丹妹為共同第一作者，任捷教授為通訊作者，陳鴻教授、葛劍敏教授，楊晨溫博士生對文章做出了重要貢獻。近年來，該同濟團隊與合作者在聲自旋領域取得了系列原創性成果，在《美國科學院院報》（PNAS）[Proc. Natl. Acad. Sci. U SA 115, 9951-9955(2018)]《國家科學評論》（NSR）[Natl. Sci. Rev. 6, 707-712(2019) 、Natl. Sci. Rev. 7, 1024–1035 (2020)]等國際期刊上發表了系列重要研究。本項工作得到了國家重點研發項目，國家自然科學基金，上海市科委，上海市特殊人工微結構材料與技術重點實驗室等項目資助。
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https://doi.org/10.1038/s41467-020-18599-y
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