聲子學與熱能科學中心彈性波自旋成果發表於美國科學院院刊《PNAS》

聲子學與熱能科學中心彈性波自旋成果發表於美國科學院院刊《PNAS》

來源：物理科學與工程學院   時間：2018-10-16  瀏覽：

      近日，我校物理科學與工程學院聲子學與熱能科學中心在國際頂級學術期刊《PNAS》上發表了關於彈性波自旋的最新研究成果，揭示了彈性波中的自旋本質屬性。博士生龍洋為論文第一作者，任捷教授為論文通訊作者，陳鴻教授為論文合作者。
      160年前，赫爾曼•馮•亥姆霍茲發布了他著名的場分解定理，揭示了任意矢量場一定可以分解成無散的橫波場和無旋的縱波場。然而，過去一直以來，人們認為只有電磁波或類似電磁波的彈性橫波才能擁有自旋；而對於彈性縱波聲學縱波，其並不具備攜帶自旋角動量的能力。而在這項工作中，同濟聲子中心的團隊挑戰並刷新了人們對於彈性波自旋的認識，證明了彈性縱波能夠攜帶自旋角動量。同時非常重要的是，這裡還存在一種新的自旋角動量形式，即縱波橫波雜化產生的雜化自旋角動量（見圖1）。因此，彈性波的自旋，不僅含有來自縱波和橫波各自的自旋，還要考慮來自兩者雜化耦合產生的自旋貢獻。 同時，該項研究發現，彈性波中的自旋角動量與彈性波動量表現出強烈的依賴關係，體現了彈性波潛在的自旋軌道耦合關係。通過利用拓撲物理學對該耦合關係進行詳細論述，該項研究成功解釋了多種和彈性波自旋有關的現象: 彈性波的自旋霍爾效應和類量子自旋霍爾效應（見圖2）。

     

     任捷教授表示，該項理論工作雖然是基於彈性波來展示其物理現象，但正如文中所說，結論並不局限於彈性波系統，可以推廣到任意矢量波系統中的自旋性質。
      自旋作為現代物理中的最重要的基本概念之一，揭示了許多物理現象中的內在運作本質，並且能和各種複雜的物理過程相聯繫，進而擴大人們對基礎物理過程的認識。在微觀世界中，除了被廣泛討論的能量守恆和動量守恆，角動量守恆也扮演著非常重要的角色。基於角動量守恆，半導體器件中的各個組件可以通過以自旋為主的傳播通道進行遠距離耦合作用。因此，對作為自旋傳播載體的彈性波和電磁波來說，揭露和探討它們的自旋性質越來越重要。該成果彌補了彈性波自旋研究的空白，為未來的器件設計提供了新的思路。
      我校物理科學與工程學院的聲子學與熱能科學中心長期致力於以調控聲子行為、熱輸運、彈性波傳播為主的基礎理論研究和新型器件探索。該中心自成立以來，已在國際頂尖期刊上發表了一系列重要的研究成果，揭示和闡述了許多複雜聲子熱學現象背後的物理本質，創新性地提出了許多建設性的聲子器件設計方案。
      美國科學院院刊《PNAS》是與《Nature》《Science》齊名，被引用次數最多的綜合學科文獻之一。該項研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃的資助。
      文章連結：https://doi.org/10.1073/pnas.1808534115     「Intrinsic Spin of Elastic Waves」, Yang Long, Jie Ren, and Hong Chen, PNAS, 115 (40) 9951-9955 (2018).