近期，我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》（https://doi.org/10.1073/pnas.1808534115），揭示了弹性波系统中的自旋本质。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。
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。而在这项工作中，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，同时很重要地，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。因此弹性波的自旋，不仅含有来自纵波，横波各自的自旋，还要考虑来自两者杂化耦合产生的自旋贡献。 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。通过利用拓扑物理对该耦合关系进行详细论述，成功解释了多种和弹性波自旋有关的现象: 弹性波的自旋霍尔效应和量子自旋霍尔效应。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，但正如文中所说，结论并不局限于弹性波系统，可以推广到任意矢量波系统中的自旋性质。”
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，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。
我院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，弹性波传播为主的理论研究和器件开发，从声子学与热能科学中心成立至今，发表了一系列重要的研究成果在国际顶尖期刊上，揭示和阐述了很多复杂热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。
该项研究得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划的资助。
