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[转载]中国科学家揭示弹性波自旋

(2018-11-12 10:16:09)
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中国科学家揭示弹性波自旋 PNAS 论文推荐


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在国际顶级学术期刊 PNAS 上发表了关于弹性波自旋的最新研究成果— Intrinsic Spin of Elastic Waves(详细论文信息见文末),揭示了弹性波中的自旋本质属性。博士生龙洋为论文第一作者,任捷教授为论文通讯作者,陈鸿教授为论文合作者。


撰文 Xonics Lab


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。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(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(图2)。


[转载]中国科学家揭示弹性波自旋

 

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(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。


[转载]中国科学家揭示弹性波自旋

图1 弹性纵波有限宽波束中的自旋分布。(A)纵波高斯波束会携带非零的自旋角动量分布,呈现出以传播方向为轴的反对称形式,两侧自旋相反。(B)从波束中的位移场分布可以看出两侧呈现相反的等效圆极化形式

 

[转载]中国科学家揭示弹性波自旋

图2 任意矢量波中的几何与自旋。­对于纵波和横波,它们的极化与波矢的强依赖关系反映了其潜在的自旋轨道耦合关系。(A)对于纵波而言,利用不同传播方向的波进行叠加干涉,可以实现非零的纵波自旋角动量分布。(B)对于横波,利用波的叠加干涉也可以实现非零的横波自旋角动量。(C)而对于横波与纵波的混合波,其杂化自旋则来源于混合波的场分量干涉后产生的自旋角动量。

[转载]中国科学家揭示弹性波自旋

图3  弹性波的自旋杂化。(A)当两种不同类型的弹性波:纵波和横波,沿着同一方向传播时,他们的总场会拥有非零的自旋角动量分布,这个自旋角动量源于自旋的杂化。(B, C)对于原本具有非零横波自旋角动量的弹性波,利用自旋杂化,弹性波的总自旋方向会绕着传播方向发生旋转,类似进动。


[转载]中国科学家揭示弹性波自旋

图4  弹性波中自旋动量锁定现象。(a)利用两个具有圆极化的弹性波点源实现体波的非对称激励。(b)利用不同的圆极化弹性波点源实现弹性表面波的单方向激励,类比弹性波的量子自旋霍尔效应。(c)利用不同的圆极化弹性波点源实现各向异性介质中的弹性波选择性激励,类比于弹性波的自旋霍尔效应。(d)利用嵌入在弹性介质(比如,铝)表面的具有一定相位差的压电陶瓷片,可以实现不同圆极化的弹性波点源。


论文信息


标题 Intrinsic spin of elastic waves

作者 Yang Long, Jie Ren, and Hong Chen

发表日期  October 2, 2018 115 (40) 9951-9955; published ahead of print September 18, 2018 

摘要

Unveiling spins of physical systems usually gives people a fundamental understanding of the geometrical properties of waves from classical to quantum aspects. A great variety of research has shown that transverse waves can possess nontrivial spins and spin-related properties naturally. However, until now, we still lack essential physical insights about the spin nature of longitudinal waves. Here, demonstrated by elastic waves, we uncover spins for longitudinal waves and the mixed longitudinal–transverse waves that play essential roles in spin–momentum locking. Based on this spin perspective, several abnormal phenomena beyond pure transverse waves are attributed to the hybrid spin induced by mixed longitudinal–transverse waves. The unique hybrid spin reveals the complex spin essence in elastic waves and advances our understanding about their fundamental geometrical properties. We also show that these spin-dependent phenomena can be exploited to control the wave propagation, such as nonsymmetric elastic wave excitation by spin pairs, a unidirectional Rayleigh wave, and spin-selected elastic wave routing. These findings are generally applicable for wave cases with longitudinal and transverse components.

链接 https://doi.org/10.1073/pnas.1808534115


中国科学家揭示弹性波自旋 | PNAS 论文推荐_科研圈_传送门  http://chuansong.me/n/2619731944124

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