當(dāng)聲音開始“自轉(zhuǎn)”：聲波的自旋角動(dòng)量

|作者：劉京京 梁彬? 程建春??

(南京大學(xué)物理學(xué)院 近代聲學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心）

本文選自《物理》2026年第4期

摘要波動(dòng)系統(tǒng)中的自旋角動(dòng)量是描述波場(chǎng)矢量極化特性的重要物理量，與波的傳播性質(zhì)、能量流動(dòng)以及波—物質(zhì)相互作用等密切相關(guān)。聲學(xué)系統(tǒng)作為典型的縱波系統(tǒng)，長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為不存在自旋屬性。近年來(lái)，人們從聲速度場(chǎng)的極化特性中發(fā)現(xiàn)了聲波自旋的存在，拓展了對(duì)聲波動(dòng)力學(xué)特性的認(rèn)知并為聲波調(diào)控提供了新的自由度。文章回顧聲波自旋角動(dòng)量這一新興領(lǐng)域的重要前沿進(jìn)展，從聲波類狄拉克方程的層面揭示聲波自旋的起源和物理內(nèi)涵，介紹聲波自旋—?jiǎng)恿挎i定等角動(dòng)量相關(guān)的重要物理性質(zhì)及其在聲波定向輸運(yùn)等方面的應(yīng)用潛力，之后闡述聲波自旋研究從“局部”到“全局”的發(fā)展和聲全局自旋—軌道耦合效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，最后展望在高容量聲信息傳輸、定向聲傳感與集成聲子器件等重要領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞聲自旋，狄拉克方程，自旋—?jiǎng)恿挎i定，全局自旋

1引 言

角動(dòng)量是描述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的基本物理量。在經(jīng)典力學(xué)中，它對(duì)應(yīng)于物體繞某一參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，而在場(chǎng)論與波動(dòng)物理中，角動(dòng)量則可以由動(dòng)量密度的空間分布決定，只要體系中存在環(huán)流結(jié)構(gòu)或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性破缺，角動(dòng)量便可能出現(xiàn)。角動(dòng)量可以分為軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量?jī)深悾呵罢邅?lái)源于波前的空間螺旋結(jié)構(gòu)，后者則與場(chǎng)矢量的局域旋轉(zhuǎn)相關(guān)。在聲學(xué)系統(tǒng)中，軌道角動(dòng)量被廣泛研究，并被證明可以作為獨(dú)立于幅度、相位、頻率等傳統(tǒng)聲波維度的全新自由度來(lái)調(diào)控聲場(chǎng)，已在聲學(xué)通信、聲力操控等領(lǐng)域產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用[1—3]。例如，聲學(xué)軌道角動(dòng)量為擴(kuò)充聲學(xué)通信信道容量提供了新的編解碼自由度，利用軌道角動(dòng)量的模式正交性可以將不同信息編碼到不同階數(shù)的軌道角動(dòng)量上，從而實(shí)現(xiàn)多通道信息在空間中的無(wú)串?dāng)_復(fù)用傳輸[4，5]。另一方面，軌道角動(dòng)量獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)使其能夠?qū)蝹€(gè)粒子實(shí)施精準(zhǔn)的空間誘導(dǎo)或旋轉(zhuǎn)操控[6，7]，相比傳統(tǒng)的駐波和行波聲鑷具有操控精度高、操控自由度多等重要優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)學(xué)超聲、生物物理等眾多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖1 兩列垂直入射平面波在交疊區(qū)域產(chǎn)生的局部聲自旋

然而，在考慮自旋角動(dòng)量時(shí)，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為聲波作為典型的縱波并不存在自旋性質(zhì)。這一判斷的依據(jù)在于：在理想均勻流體中，聲波通常被描述為標(biāo)量壓強(qiáng)擾動(dòng)，其質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)沿傳播方向做線性往復(fù)振動(dòng)，既不存在橫向偏振，也不存在類似電磁波圓偏振那樣的旋轉(zhuǎn)自由度。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，聲學(xué)體系被視為“無(wú)自旋”的波動(dòng)系統(tǒng)。這一認(rèn)識(shí)的關(guān)鍵前提是用單一的標(biāo)量壓強(qiáng)場(chǎng)來(lái)描述聲波。然而，從更完整的動(dòng)力學(xué)描述來(lái)看，聲波不僅包含壓強(qiáng)擾動(dòng)，還包含質(zhì)點(diǎn)速度這一矢量場(chǎng)變量。當(dāng)聲場(chǎng)存在空間非均勻分布、邊界約束或多波干涉時(shí)，質(zhì)點(diǎn)速度在不同空間方向上可以同時(shí)具有非零分量，并在時(shí)間上保持特定的相位關(guān)系[8]。在這種情況下，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡不再是簡(jiǎn)單的直線振動(dòng)，而可能演化為橢圓甚至圓形軌跡，如圖1所示。一旦局域質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形成封閉旋轉(zhuǎn)軌跡，體系中便出現(xiàn)非零的角動(dòng)量密度。這種角動(dòng)量并非來(lái)源于宏觀波前的螺旋結(jié)構(gòu)，而是源于局域矢量場(chǎng)分量之間的相位耦合。換言之，聲波雖然在傳播意義上是縱波，但在局域動(dòng)力學(xué)層面卻可以呈現(xiàn)橫向旋轉(zhuǎn)特征。自旋角動(dòng)量刻畫的正是這種“原地旋轉(zhuǎn)”的動(dòng)力學(xué)屬性。我們也可以通過(guò)粒子在聲場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)行為來(lái)理解聲自旋，考慮一個(gè)微粒置于渦旋聲場(chǎng)的某一特定位置，由于渦旋聲場(chǎng)同時(shí)存在軌道和自旋角動(dòng)量，軌道角動(dòng)量會(huì)使粒子產(chǎn)生繞中心的軌道運(yùn)動(dòng)，而自旋角動(dòng)量則驅(qū)動(dòng)其固有旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖2 粒子在渦旋聲場(chǎng)中的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)

當(dāng)前，聲學(xué)自旋角動(dòng)量已成為聲學(xué)研究的熱點(diǎn)方向[9—11]。2018年，同濟(jì)大學(xué)任捷與加州大學(xué)伯克利分校張翔等人首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了聲波自旋的存在：他們利用兩個(gè)相互垂直且具有特定相位差的平面入射波在自由空間中產(chǎn)生了局部自旋角動(dòng)量，并通過(guò)觀測(cè)微粒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)自旋角動(dòng)量進(jìn)行了直觀表征[8]。2023年，L. Alha?tz等人進(jìn)一步揭示了聲波自旋角動(dòng)量與軌道角動(dòng)量之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制：他們?cè)趦煞N流體界面處激發(fā)倏逝聲波，并在界面附近放置微小液滴作為散射體，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了界面處自旋角動(dòng)量向液滴內(nèi)部軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化的物理過(guò)程[12]。隨著研究的不斷深入，人們?cè)诓煌晫W(xué)體系中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種自旋相關(guān)的物理效應(yīng)，包括自旋—?jiǎng)恿挎i定[13]、自旋—軌道耦合[14]以及聲學(xué)自旋莫比烏斯環(huán)[15，16]等。這些發(fā)現(xiàn)為聲場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)特性帶來(lái)了新的理解，也為聲學(xué)拓?fù)渑c類量子效應(yīng)的研究開辟了新方向，并有望為多維聲場(chǎng)調(diào)控、新型聲學(xué)功能器件設(shè)計(jì)和微粒操控等提供新的思路與技術(shù)途徑。

2從聲學(xué)類狄拉克方程揭示聲波自旋

在聲學(xué)自旋的理論研究方面，科學(xué)家一直在思考一個(gè)基本問題：聲波明明通常被看作縱波，為什么還會(huì)表現(xiàn)出類似“自旋”的性質(zhì)？圍繞這一問題，已有研究大致形成了兩種解釋思路：一是借助Belinfante—Rosenfeld關(guān)系，將聲波的機(jī)械動(dòng)量密度進(jìn)行分解，從而提取其中與自旋相關(guān)的分量[8]；二是基于拉格朗日?qǐng)稣摽蚣埽肗oether定理從對(duì)稱性與守恒律出發(fā)推導(dǎo)自旋量[17]。例如，K. Y. Bliokh等人推導(dǎo)了聲波自旋與軌道角動(dòng)量的表達(dá)式，并以非傍軸貝塞爾聲束為例系統(tǒng)分析了其自旋與軌道角動(dòng)量特性[18，19]；I. D. Toftul等人則研究了聲波作用于微小粒子的輻射力與扭矩機(jī)制，闡明了其與自旋等場(chǎng)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上提出了正則動(dòng)量與聲自旋密度的測(cè)量方法[20]；2020年，L.Burns等人從場(chǎng)論角度嚴(yán)格比較了聲波與電磁波在標(biāo)量、矢量及自旋表示上的差異，并進(jìn)一步解釋了聲波自旋的起源[17]。盡管如此，這些研究在很大程度上仍是在已有理論框架下對(duì)聲自旋進(jìn)行“識(shí)別”和“定義”。換句話說(shuō)，人們已經(jīng)知道聲波中可以出現(xiàn)與自旋有關(guān)的物理量，但對(duì)于這種自由度究竟能否像電子自旋那樣，從更基本的動(dòng)力學(xué)方程中自然地顯現(xiàn)出來(lái)，仍然缺少一個(gè)更加統(tǒng)一和直觀的理論圖景。

為了解決這一問題，我們提出了一種新的描述方式。傳統(tǒng)聲學(xué)理論通常主要使用“聲壓”來(lái)描述聲波，這種方法雖然簡(jiǎn)潔，但也有明顯局限：它能夠告訴我們某一點(diǎn)“聲有多強(qiáng)”，卻難以完整反映質(zhì)點(diǎn)速度在不同方向上的變化情況。事實(shí)上，聲波不僅有壓強(qiáng)起伏，還伴隨著介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，而后者本質(zhì)上是一個(gè)矢量過(guò)程。基于這一認(rèn)識(shí)，我們沒有只用單一的聲壓變量來(lái)描述聲波，而是把聲壓和三個(gè)方向的速度分量放在同一個(gè)統(tǒng)一框架中，構(gòu)造出一種“四分量”的波函數(shù)。借助這種更完整的表述，建立了聲波的“類狄拉克方程”[21]：

其中
是同時(shí)包含聲波的聲壓自由度(p)和三個(gè)速度分量自由度(v)的四分量波函數(shù)，表示動(dòng)量算符，γ可以視為由背景介質(zhì)非均勻性引起的系統(tǒng)勢(shì)能，α為常矢量(圖3)。之所以稱為“類狄拉克方程”，是因?yàn)榉匠?1)在數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)上與描述電子等粒子的狄拉克方程具有相似性。狄拉克方程在現(xiàn)代物理中的重要意義之一，就是它自然揭示了電子自旋這一內(nèi)稟自由度。因此，這一新的聲學(xué)表述也啟發(fā)人們：聲波的自旋是否也可以從基本方程中自然出現(xiàn)，而不是額外人為引入？答案是肯定的。基于這一理論框架，研究者發(fā)現(xiàn)，如果要求聲波體系滿足總角動(dòng)量守恒，就必須在軌道角動(dòng)量之外額外引入自旋角動(dòng)量。進(jìn)一步分析表明，聲波中的不同物理量在自旋屬性上并不相同：其中，聲壓對(duì)應(yīng)標(biāo)量性質(zhì)，不攜帶自旋；而速度場(chǎng)具有矢量性質(zhì)，對(duì)應(yīng)自旋為1的自由度。也就是說(shuō)，聲波自旋的真正來(lái)源并不是聲壓本身，而是聲波傳播過(guò)程中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)速度場(chǎng)所體現(xiàn)出的矢量旋轉(zhuǎn)特征。這一結(jié)果的重要意義在于，它從更根本的層面解釋了聲自旋的來(lái)源：聲波雖然在傳統(tǒng)意義上是縱波，但這并不意味著它完全沒有“旋轉(zhuǎn)”這一自由度。只要把聲壓和速度場(chǎng)放在同一個(gè)更完整的動(dòng)力學(xué)框架中，聲自旋就會(huì)自然顯現(xiàn)出來(lái)。

圖3 利用同時(shí)包含聲壓和速度的四分量波函數(shù)將傳統(tǒng)的聲波方程轉(zhuǎn)化為類狄拉克方程

3聲波的自旋—?jiǎng)恿挎i定

聲波自旋角動(dòng)量的引入不僅拓展了人們對(duì)聲波動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，也為聲場(chǎng)調(diào)控提供了全新的物理維度。其中，自旋—?jiǎng)恿挎i定(spin—momentum locking)作為自旋相關(guān)的重要物理性質(zhì)之一，為聲波的定向輸運(yùn)、聲信息的高魯棒性傳輸提供了新的實(shí)現(xiàn)路徑。自旋—?jiǎng)恿挎i定，是指聲波的局域自旋角動(dòng)量方向與其傳播動(dòng)量之間形成確定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系：具有某一手性自旋極化的聲波只能沿特定方向傳播，而反向傳播的模式則攜帶相反符號(hào)的自旋。這種“自旋決定傳播方向”的機(jī)制，使自旋成為控制聲波定向輸運(yùn)的有效手段。相比利用非線性、時(shí)變等打破系統(tǒng)空間反演對(duì)稱性來(lái)實(shí)現(xiàn)聲波單向調(diào)控的傳統(tǒng)機(jī)制[22，23]，聲波的自旋—?jiǎng)恿挎i定并不依賴于強(qiáng)非線性或外部時(shí)變調(diào)控，其本質(zhì)是線性波動(dòng)方程在特定邊界條件下的模式選擇性激發(fā)。

圖4 (a)支持定向自旋輸運(yùn)的圓柱形超表面波導(dǎo)管；(b)超表面波導(dǎo)的原胞；(c)傳播方向不同的波導(dǎo)模式具有相反的自旋角動(dòng)量；(d)超表面波導(dǎo)中的自旋模式對(duì)轉(zhuǎn)角的散射免疫[24]

2020年，同濟(jì)大學(xué)任捷等人在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了聲學(xué)自旋在超表面波導(dǎo)中的定向輸運(yùn)與調(diào)控[24]。他們通過(guò)在波導(dǎo)側(cè)壁構(gòu)建具有反射相位突變的“梳狀”超表面邊界(圖4(a)，(b))，人為打破了常規(guī)剛性邊界波導(dǎo)的對(duì)稱約束條件，重塑了導(dǎo)波模式的本征結(jié)構(gòu)。在新的邊界條件下，聲場(chǎng)質(zhì)點(diǎn)速度的縱向分量與橫向分量之間存在固定的相位差π，使局域振動(dòng)軌跡由線偏振態(tài)演化為圓偏振態(tài)，從而在波導(dǎo)內(nèi)部激發(fā)出特定手性的聲學(xué)自旋模式。基于此，進(jìn)一步觀測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了聲學(xué)自旋與傳播動(dòng)量之間的嚴(yán)格鎖定關(guān)系：沿相反方向傳播的導(dǎo)波模式對(duì)應(yīng)相反符號(hào)的自旋角動(dòng)量密度，展現(xiàn)出了典型的自旋—?jiǎng)恿挎i定特征，如圖4(c)所示。基于這一內(nèi)稟的關(guān)聯(lián)機(jī)制，研究人員展示了兩類具有代表性的調(diào)控功能：(1)利用自旋—?jiǎng)恿挎i定實(shí)現(xiàn)了對(duì)尖銳轉(zhuǎn)角散射的有效免疫，證明了自旋可為聲波輸運(yùn)提供拓?fù)浔Ｗo(hù)(圖4(d))；(2)通過(guò)構(gòu)建多分支波導(dǎo)并利用自旋選擇性耦合，實(shí)現(xiàn)了自旋依賴的聲波路由，即僅需改變?nèi)肷鋱?chǎng)的自旋態(tài)即可切換傳播路徑，展現(xiàn)出自旋自由度在模式分配中的潛力。

圖5 (a)5個(gè)環(huán)形排列的揚(yáng)聲器產(chǎn)生三種不同類型的聲源；(b)三種不同類型聲源激發(fā)時(shí)的聲能傳輸情況：Janus源激發(fā)時(shí)聲能僅耦合到單側(cè)表面(上或下)，Huygens源激發(fā)時(shí)聲能沿單向表面?zhèn)鬏?左或右)，聲自旋源激發(fā)時(shí)聲能沿對(duì)角方向傳輸[13]

同年，同濟(jì)大學(xué)的任捷等人進(jìn)一步揭示了聲縱波在近場(chǎng)所固有的對(duì)稱性和幾何特性，并在此基礎(chǔ)上提出了一種實(shí)現(xiàn)選擇性近場(chǎng)縱波耦合的方案[13]。研究中，他們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三類典型聲源：聲學(xué)Janus源、聲學(xué)Huygens源以及聲學(xué)自旋源。其中，Janus源得名于羅馬神話中的“雙面神”，其特征是頭部前后各有一張面孔。顧名思義，該聲源能夠選擇性地與單側(cè)模式發(fā)生耦合，這種特性是近場(chǎng)獨(dú)有的。相比之下，Huygens源在遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)中均呈現(xiàn)單向耦合，其耦合方向與Janus源正交。研究人員通過(guò)布置5個(gè)環(huán)形排列的揚(yáng)聲器，并對(duì)每個(gè)揚(yáng)聲器的振幅和相位進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了聲單極子和聲偶極子的任意組合，從而構(gòu)建了上述三種聲源(圖5(a))。對(duì)于近場(chǎng)倏逝波，可通過(guò)兩個(gè)相對(duì)的梳狀超表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行激發(fā)。當(dāng)從系統(tǒng)中心激發(fā)普通聲源時(shí)，聲音會(huì)沿上下左右4條路徑同步傳播。然而，當(dāng)源具有特定對(duì)稱性時(shí)，傳輸行為表現(xiàn)出顯著差異：Janus源僅耦合到單側(cè)表面(上或下)；Huygens源激發(fā)單向表面模態(tài)(左或右)；而聲自旋源則沿對(duì)角方向?qū)崿F(xiàn)激發(fā)，如圖5(b)所示。相關(guān)結(jié)果進(jìn)一步展示了自旋在調(diào)控聲波定向輸運(yùn)方面的能力。

4從局部自旋到全局自旋

以上所介紹的關(guān)于聲學(xué)自旋角動(dòng)量的研究主要聚焦于局部層面，即討論聲場(chǎng)中某一點(diǎn)或微小區(qū)域內(nèi)質(zhì)點(diǎn)速度的自旋行為。然而，局域自旋本質(zhì)上具有空間依賴特性，當(dāng)在整個(gè)空間范圍內(nèi)進(jìn)行積分時(shí)，不同區(qū)域的自旋分量會(huì)相互抵消，導(dǎo)致聲束的總自旋角動(dòng)量為零，因此聲學(xué)系統(tǒng)通常被認(rèn)為缺乏“全局自旋角動(dòng)量”這一自由度，難以實(shí)現(xiàn)全局自旋—軌道耦合等效應(yīng)。這種“局域存在—整體消失”的行為限制了對(duì)聲束宏觀特性的調(diào)控。近期，我們和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蔣建華等人合作提出了一種在有界聲學(xué)系統(tǒng)中構(gòu)建全局自旋角動(dòng)量的全新物理機(jī)制[25]。通過(guò)建立一種自洽的類量子理論框架，對(duì)柱狀波導(dǎo)內(nèi)非耗散渦旋聲場(chǎng)的自旋角動(dòng)量與軌道角動(dòng)量進(jìn)行系統(tǒng)分析，指出在特定邊界條件下，該類聲場(chǎng)可攜帶非零的積分縱向自旋角動(dòng)量，并揭示其大小與邊界處Abraham動(dòng)量密度之間的定量關(guān)系，如圖6(a)所示。針對(duì)所有能夠支持無(wú)耗散渦旋模傳播的邊界情形，包括絕對(duì)硬邊界、絕對(duì)軟邊界以及一般純抗邊界，從聲速矢量極化橢圓的空間分布出發(fā)，我們闡明了積分自旋角動(dòng)量與局域極化取向之間的內(nèi)在聯(lián)系。在絕對(duì)硬邊界條件下，極化方向在空間中保持一致，從而可以獲得最大的自旋角動(dòng)量；而在絕對(duì)軟邊界下，正負(fù)極化對(duì)稱分布并完全抵消，使整體自旋始終為零；對(duì)于一般純抗邊界，其極化分布介于兩者之間，因此全局自旋角動(dòng)量處于零與最大值之間的連續(xù)區(qū)間(圖6(b))。

圖6 (a)圓柱波導(dǎo)中渦旋場(chǎng)的自旋和軌道角動(dòng)量示意圖。其中波導(dǎo)中的黃色和紫色箭頭分別表示極化橢圓和Minkowski動(dòng)量，波導(dǎo)外的綠色和藍(lán)色箭頭分別表示積分自旋和軌道角動(dòng)量，波導(dǎo)中的粉色箭頭表示Abraham動(dòng)量；(b)在不同邊界條件和不同拓?fù)浜蓴?shù)時(shí)，波導(dǎo)中渦旋聲場(chǎng)橫截面的速度場(chǎng)極化橢圓(邊界處粗紅箭頭、藍(lán)箭頭的方向和粗細(xì)分別表示邊界Abraham動(dòng)量密度的方向和大小)[25]

基于以上理論，我們進(jìn)一步提出了聲波自旋與軌道角動(dòng)量的定量調(diào)控策略。通過(guò)合理設(shè)置支持非耗散渦旋態(tài)傳播的波導(dǎo)系統(tǒng)的邊界條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲波自旋與軌道角動(dòng)量的精確調(diào)控。此外，還對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)中Abraham與Minkowski兩種角動(dòng)量定義進(jìn)行了分析比較，發(fā)現(xiàn)Minkowski角動(dòng)量始終守恒，使得在流體聲學(xué)中實(shí)現(xiàn)全局自旋—軌道耦合成為可能。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)該效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，我們提出了一種通過(guò)改變聲束傍軸程度來(lái)調(diào)控自旋—軌道耦合強(qiáng)度的機(jī)制，并構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)(圖7(a))。在實(shí)驗(yàn)中，采用3D打印技術(shù)加工了一段截面緩慢變化的波導(dǎo)管，其材料為樹脂，壁厚為5 mm。由于樹脂與空氣之間存在顯著的聲阻抗差異，該波導(dǎo)壁可近似視為聲學(xué)硬邊界。渦旋聲場(chǎng)由波導(dǎo)入口處的4個(gè)揚(yáng)聲器激發(fā)，其初始相位分別設(shè)置為0、0.5π、π和1.5π，工作頻率為2070 Hz。為消除末端反射帶來(lái)的干擾，在波導(dǎo)出口處鋪設(shè)了吸聲泡沫材料。為研究波導(dǎo)內(nèi)部的速度場(chǎng)分布，對(duì)波導(dǎo)管的4個(gè)特定圓柱區(qū)域內(nèi)的聲壓分布進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，僅需在緩變截面波導(dǎo)管中激發(fā)相應(yīng)的渦旋模態(tài)，并在沿聲束傳播過(guò)程的不同橫截面進(jìn)行自旋和軌道角動(dòng)量的測(cè)量，即可實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到自旋角動(dòng)量逐漸向軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，如圖7(b)和(c)所示，從而嚴(yán)格驗(yàn)證了所提出的自旋—軌道耦合機(jī)制。聲學(xué)全局自旋的發(fā)現(xiàn)為理解經(jīng)典波體系中的自旋角動(dòng)量等動(dòng)力學(xué)特性提供了新的視角，也為水下通信和粒子操控等應(yīng)用開辟了新的可能。

圖7 (a)用于觀測(cè)全局自旋—軌道耦合效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；(b)歸一化的Minkowski自旋、軌道及總角動(dòng)量隨傳播距離的變化關(guān)系曲線；(c)不同截面上自旋和軌道角動(dòng)量密度分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值[25]

5總結(jié)與展望

自旋角動(dòng)量的發(fā)現(xiàn)不僅深化了人們對(duì)聲學(xué)縱波系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為的理解，也為聲場(chǎng)的多維調(diào)控提供了新的自由度。本文系統(tǒng)地介紹了聲學(xué)自旋角動(dòng)量近年來(lái)在理論與實(shí)驗(yàn)方面的一系列重要進(jìn)展：從聲學(xué)類狄拉克方程揭示聲波自旋的起源和物理內(nèi)涵，在聲學(xué)人工體系中實(shí)現(xiàn)自旋—?jiǎng)恿挎i定效應(yīng)，以及聲學(xué)自旋研究從局部到全局的拓展等。

展望未來(lái)，聲自旋有望在多個(gè)重要方向產(chǎn)生應(yīng)用。例如，在高容量聲信息傳輸方面，自旋角動(dòng)量可與軌道角動(dòng)量、頻率和相位等多種物理維度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多維復(fù)用編碼，從而顯著提升聲通信系統(tǒng)的信息容量；在定向聲傳感與探測(cè)方面，自旋—?jiǎng)恿挎i定等效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定傳播方向或模式的選擇性響應(yīng)，為復(fù)雜環(huán)境中的高靈敏度定向聲探測(cè)提供新的技術(shù)路徑；此外，在集成聲子器件與片上聲學(xué)系統(tǒng)中，聲子自旋可以與光子自旋、磁子自旋相互作用，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)信息處理。

隨著聲學(xué)人工材料、拓?fù)渎晫W(xué)與微納加工等技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，聲自旋相關(guān)研究有望推動(dòng)聲波調(diào)控范式的轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的標(biāo)量/單自由度調(diào)控邁向多自由度耦合的矢量化調(diào)控，并在智能傳感、精密測(cè)量等領(lǐng)域產(chǎn)生更加廣泛而深遠(yuǎn)的影響。

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