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同济大学任捷团队在《自然·通讯》发表声自旋传输调控研究的重要进展
发布时间:2020-10-09        浏览次数:10

    918日,同济大学物理科学与工程学院声子学与热能科学中心任捷教授团队在《自然·通讯》(Nature Communications)杂志在线发表了题为“Realization of Acoustic Spin Transport in Metasurface Waveguides”( 声自旋输运在超表面波导管里的实现)的论文。该项工作持续了三年努力,同时在理论和实验上展示了一种新的超表面波导,实现了声的自旋角动量,及其自旋传输的各种新奇调控,比如转角散射的抑制、自旋选择的声路由器、旋转声自旋和相位调制器等。

    自旋角动量是物理系统的一种内禀性质,预言了从宏观系统到微观量子的很多物理效应。从弹性波到光波,其自旋角动量(SAM)都与他们的局域旋转极化场有关。许多常见的波形,比如圆偏振平面波、双波干涉、表面倏逝波等等,都具有非零的自旋角动量。具有自旋角动量的物理系统可以表现出很多非常新奇的现象,比如自旋霍尔效应(SHE)、量子自旋霍尔效应(QSHE)、各向同性介质中的spin-cloak散射等等。而这些现象使自旋角动量在很多方向都具有非常广阔的应用前景,比如控制经典波的输运,自旋选择性等离子激发,量子光学的手性依赖器件等等。以自旋为基础的器件的鲁棒性以及其能够灵活控制的性质使它在很多手性器件研发等领域都具有非常大的潜在应用优势。到目前为止,人们对于光子的自旋角动量已经进行了大量的研究。但是,在声学领域,因为纵波是无旋的,过去人们并没有考虑自旋角动量存在的可能性,直到近年来,同济团队才从理论和实验上,陆续揭示了声自旋角动量的存在。



  

基于声速度矢量场,该项最新进展提出了一种具有超表面边界的波导管来演示了多个声自旋角动量相关的鲁棒性输运,如图1.a。在引入了超表面边界条件之后,特定的波导模式会产生一个非零的自旋角动量,如图1.b。这些模式的自旋角动量与波的传播方向具有强烈锁定关系,沿不同方向传播的声波具有不同的自旋角动量,这类似于量子自旋霍尔效应中的自旋动量锁定。所以,如果声波通过具有不同的自旋动量依赖的多通道波导管时,将会产生自旋选择性。如果不翻转自旋角动量,声波导管模式会强烈抑制背散射。简单来说,当声波经过具有不同自旋角动量的波导管的时候会具有选择性输运,其只沿着自旋角动量匹配的通道输运,而自旋角动量相反的通道波输运将会被抑制。该团队通过实验证明了这几个自旋相关的现象。并且通过逐步螺旋波导管原胞的超表面边界,如图1.e所示,实现了相位的调制。这一研究结果将为弹性波中的自旋机制提供新的观点,并为声自旋相关的波控制提供了新的思路。

该成果以“超表面波导管实现声自旋传输”(Realization of acoustic spin transport in metasurface waveguides)为题发表在《自然通讯》(Nature Communications)上(DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-18599-y)。物理学院博士研究生龙洋和博士研究生张丹妹为共同第一作者,任捷教授为通讯作者,陈鸿教授、葛剑敏教授,杨晨温博士对文章做出了重要贡献。

近年来任捷团队在声自旋领域取得了系列原创性的成果,在《美国国家科学院院刊》(PNAS)、《国家科学评论》(NSR)等国际期刊上已经发表了一系列重要研究。本项工作得到了国家重点研发项目,国家自然科学基金,上海市科委,上海市特种人工微结构材料与技术重点实验室等项目资助。

 

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