Nature Comm.:同濟聲子科學家實現超表面波導管的聲自旋輸運

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自旋是一個重要且歷史悠久的物理概念。從經典力學中陀螺的旋轉到量子力學中的電子自旋，自旋角動量（SAM）的概念隨著物理學的發展而得到補充，完善，其是科研工作者們用於認知，探索世界的極為重要的物理量之一。人們對波動體系（如電磁場中的電磁波，固體中的彈性橫波）具有的自旋角動量，也早有研究。但是由於純縱波系統不像橫波系統（如電磁波）一樣具有顯而易見的旋度，純縱波系統具有的自旋角動量很大程度上被掩蓋了。事實上，純縱波系統不僅具有自旋角動量，更具有與自旋角動量概念不可分割的物理性質。近日，同濟大學任捷課題組提出了一種非對稱波導管，可以實現非零的聲自旋，並具有自旋動量鎖定效應，從而實現波的自旋選擇性輸運。這一工作，加深了對於縱波系統自旋角動量的認知，並為聲波傳輸的控制提供了全新的思路。

同濟大學物理科學與工程學院聲子學中心的任捷教授團隊，利用聲學超表面構造了具有非對稱反射邊界的聲學波導，實現了具有非零聲自旋角動量的波導模式。這種模式具有自旋動量鎖定效應，且具有較強魯棒性和自旋選擇性傳輸的特性。通過調節超表面波導的結構，可以選擇性傳輸特定的聲學自旋模式，顯著降低聲波在彎折波導中傳輸的損耗，並且可以調製聲學自旋模式的相位。這提供了一種全新的操控聲波傳輸的方式，展示了自旋角動量在操縱波動體系時所具有的強大潛力。

研究成果於2020年9月18日以「Realization of acoustic spin transport in metasurface waveguides」為題發表在Nature Communication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。

聲學是人們最早研究的物理現象之一，是物理學科中的一個重要的分支。人們關於聲波的探究從未停止。而自旋作為一種物理系統存在的內稟性質，能夠揭示波的基本幾何和拓撲性質以及多種物理機制之間複雜的相互作用。大量研究表明，圓偏振橫波可以攜帶非平凡的自旋密度，具有量子自旋霍爾效應。但是在過去，關於聲波自旋的研究還很匱乏。聲波是一種縱波，它是無旋場。對於傳統的聲壓場來說，僅用標量來表徵就足夠了。再加上經典場論認為標量場的自旋角動量為零，聲波的自旋角動量就被忽略了。所以，人們關於聲學角動量的研究大多集中在軌道角動量上。

直到2018年，該團隊基於彈性波的平臺，首次提出了縱波由於其特殊的自旋軌道耦合而具有獨特的自旋角動量，它是真實的自旋角動量，而不是贗自旋（Long, Y., Ren J. & Chen H. Intrinsic spin of elastic waves.Proc. Natl. Acad. Sci. U SA115, 9951-9955(2018)）。這個工作補充了人們關於縱波自旋的認識。在縱波自旋沒有被提出來的時候，很多能夠在光子系統中實現的有趣物理現象，比如自旋霍爾效應，量子自旋霍爾效應、各向同性介質中的自旋動量鎖定等都不能在聲學系統中實現。縱波自旋角動量的提出使這些稱為了可能。

但是，應該如何在實驗中觀察到縱波的自旋呢？2019年，他們與美國加州大學伯克利分校、美國喬治亞理工學院的團隊合作（Shi, C. et al. Observation of acoustic spin.Natl. Sci. Rev. 6, 707-712(2019)）。實驗物理學家利用相互垂直的空氣聲波幹涉場以及聲柵波導管中傳播的漸進倏逝波中觀測到了聲波自旋，也就是縱波的自旋。兩個相互垂直的聲波分別貢獻了一個垂直分量，當他們相位相差90度的時候，聲波的偏振發生了極化旋轉，從而導致了聲波的自旋角動量，並可以利用這一自旋產生一個能夠控制粒子旋轉的力矩。

在光學裡，通常波的定向輸運以其類量子自旋霍爾效應為基礎，利用不同的自旋或手性通過自旋動量鎖定實現。在已經於理論和實驗上揭示了聲波自旋角動量的存在的基礎上，應該如何進一步合理運用這些效應呢？2020年，任捷團隊和南京大學團隊合作，進一步在實驗和理論上系統地揭示了近場倏逝波固有的幾何及對稱性質，提出了實現選擇性近場縱波耦合的方案（Long, Y. et al. Symmetry selective directionality in near-field acoustics. Natl. Sci. Rev. 7, 1024–1035 (2020).）。這篇工作還提出了比聲自旋更進一步的方案，Janus源和Huygens源，展示了聲學中的「雙面神」。

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。在最新的工作中，任捷團隊用具有非對稱反射邊界的波導結構，同時在理論和實驗上演示了多個聲自旋角動量相關的魯棒性輸運。

圖一：非對稱反射邊界波導管極其傳輸模式

具有非對稱反射邊界的波導管產生聲自旋的原理圖如圖一所示。單側軟邊界能夠引入不同於硬邊界的反射相位，這使聲波在波導中傳輸時兩側反射相位相反，導致了非零的自旋角動量，構成了具有自旋動量鎖定效應的自旋波導模式。

圖二：非對稱超表面波導管結構極其性質

而這個單側軟邊界的實現利用的為一種超表面結構。這種超表面結構是利用共振腔陣列實現的（圖二），並引入自旋波導模式，在2850Hz到2950Hz頻率範圍內產生淨自旋（圖三）。在2900Hz時，理論實驗仿真吻合的都非常好。

圖三：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。

圖四：聲學自旋模式和非自旋模式在彎折波導管中的傳輸

而當聲波在彎折波導管中傳輸時，具有自旋的模式在彎折角度趨近於九十度時，其透射率顯著大於非自旋模式（圖四）。

圖五：聲傳輸中聲自旋角動量引發的魯棒性以及自旋角動量相關的聲波的選擇性傳輸

在連續彎折波導管中，具有自旋角動量的傳輸模式透射率顯著大於普通波導模式（圖五a,b,c）。由於自旋動量鎖定，聲波將會選擇與其傳輸模式自旋相匹配的波導通道傳輸（圖五d,e,f）。

圖六：通過螺旋狀波導管的超表面邊界旋轉聲自旋方向作為相位調製器。

進一步的，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（圖六）。

該工作提出了一種具有超表面邊界的波導管可以傳輸攜帶自旋角動量的聲波，這種波導可以在散射體不足以翻轉聲波自旋時抑制背散射。該性質是由梳狀超表面造成具有不同反射相位，從而實現等效的聲軟邊界。在特殊邊界定義的自旋結構下，聲波自旋輸運得到了實驗證明。比如說，抑制聲波散射，具有類似自旋霍爾效應的自旋選擇聲波路由，以及帶有自旋旋轉的相位調製器。這些均為操縱聲波傳輸提供了全新的方法和思路。

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的成果，在《美國國家科學院院刊》（PNAS）[Proc. Natl. Acad. Sci. USA115, 9951-9955(2018)]、《國家科學評論》（NSR）[Natl. Sci. Rev. 6, 707-712(2019) 、Natl. Sci. Rev. 7, 1024–1035 (2020)]等國際期刊上已經發表了一系列重要研究。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。