新發(fā)現(xiàn)：身為縱波，聲波也有自旋

來(lái)源：知社學(xué)術(shù)圈 發(fā)布時(shí)間：2019-06-06瀏覽：3124次

新發(fā)現(xiàn)：身為縱波，聲波也有自旋

　　聲波是縱波，所以人們普遍認(rèn)為聲波不具備自旋。但是不久前科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在特定條件下聲波自旋存在。

　　從天體到基本粒子，自旋都是一個(gè)重要的基本物理量。對(duì)于基本粒子，攜帶半整數(shù)自旋的粒子（比如電子）是費(fèi)米子，遵循泡利不相容原理；攜帶整數(shù)自旋的粒子（比如光子）是玻色子，遵循玻色-愛(ài)因斯坦分布。

　　我們知道，圓偏振光中有旋轉(zhuǎn)偏振現(xiàn)象，所以光子（亦或是光波）存在自旋。那么聲波也有自旋嗎？

　　聲波是縱波，所以人們普遍認(rèn)為聲波不具備自旋。但是不久前，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院以及中國(guó)同濟(jì)大學(xué)的合作研究團(tuán)隊(duì) （石承志教授、趙榮闊博士、龍洋、楊隋博士、汪遠(yuǎn)教授、陳鴻教授、任捷教授以及張翔教授）發(fā)現(xiàn)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證明，在特定條件下聲波自旋存在。相關(guān)成果以 “Observation of acoustic spin”為題發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review， NSR）。

　　研究者在相互垂直的聲波干涉場(chǎng)以及聲柵波導(dǎo)中傳播的漸逝波中觀測(cè)到了聲波自旋。在垂直相干的聲波中，每束聲波貢獻(xiàn)了局域速度場(chǎng)中的一個(gè)垂直分 量，局域速度場(chǎng)矢量即為聲波的偏振。當(dāng)局域速度場(chǎng)的兩個(gè)垂直分量相位相差90度時(shí)，該聲波的偏振發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致了聲波的自旋（如圖所示）。更進(jìn)一步， 研究者利用這一聲波自旋產(chǎn)生了遙控粒子旋轉(zhuǎn)的力矩。

　　對(duì)于漸逝聲波，聲波自旋與波矢自鎖，使得正自旋波只向右傳播，而負(fù)自旋波只向左傳播。此自旋動(dòng)量自鎖效應(yīng)對(duì)聲通訊極為重要。

　　在聲波自旋未被發(fā)現(xiàn)時(shí)，許多有趣的物理現(xiàn)象，比如量子自旋霍爾效應(yīng)和自旋動(dòng)量自鎖效應(yīng)等，都很難在聲波中實(shí)現(xiàn)。為了在聲波中實(shí)現(xiàn)這些物理效應(yīng)，人們往往需要付出許多努力以產(chǎn)生聲波贗自旋態(tài)。而此次聲波自旋的突破性發(fā)現(xiàn)將為自旋相關(guān)的基礎(chǔ)聲學(xué)與物理學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

　　該研究由美國(guó)海軍研究辦公室MURI項(xiàng)目、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)以及中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研究項(xiàng)目資助完成。