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首次联合，我们邀请到了同济大学教授、博士生导师任捷分享《聆听声音的自旋交响乐：声波的自旋初探》。据介绍，任捷教授团队和伯克利，南大等合作团队一起剑走偏锋，关注声音的特殊属性：自旋角动量。并首次设计实验成功完成观测，制备了多种新型声波调控器件，为我们初次掀起了声波自旋的神秘面纱。
以下为文字版直播回顾：
音乐给我们的日常生活带来了很多快乐，人们为了追求更高质量的听觉感受，对于声音的研究也非常多。在初高中物理学课本中，我们认识回声，知道声波是一种纵波，微观表现为空气压强的变化。大到电影院、音乐厅的室内设计，小到家庭影院的声场设计，声音的这些性质都能作为高音质追求的方向。
自旋角动量是现代物理学的一个重要且历史悠久的物理概念，从经典波动中场的旋转到量子力学中的基本粒子自旋，自旋角动量的概念随着物理学的发展而得到补充，是探索世界的极为重要的物理量之一。由波粒二象性的对应，自旋角动量不仅作为一种粒子的内禀性质，而且也揭示了波的基本几何和拓扑性质。
自旋角动量的具体体现是什么？
拿光做例子，光子的自旋角动量对于光波就体现在电磁场的圆偏振，圆偏振其实离我们的生活很近，有很多太阳眼镜和 3D 眼镜的原理就是利用了偏振片只允许某一些偏振光通过镜片的特性。
而与光子的自旋角动量相关，最直接的现象就是光的自旋霍尔效应：光在界面处发生折射或者反射时，光束内部具有不同偏振的组分之间会发生微小的 “分束” 现象。
有了这样的现象，我们就可以大做文章，设计一些具有特殊应用场景的光学器件了，例如自旋依赖的表面等离子激元路由，能够引导入射光分束成为两种表面方向传播的光。
图 1｜光的自旋霍尔效应及自旋依赖的表面等离子激光路由（图片来源：[Nature Physics 3, 628 (2007)] [Science 340, 724 (2013)]）
作为人类最早研究的物理对象之一，声音，也具有自旋角动量吗？
光和声音其实都是波，光是横波，声音是纵波。而对横波波动体系（如电磁光波）具有的自旋角动量，人们早有研究，前文已经提及的光就是最好的例子。但是，由于纯纵波系统不像横波系统一样具有显而易见的旋度，纯纵波系统的自旋很大程度上被忽视了。
从本质上来说，声音的波属于纵波，应当是不存在偏振现象，也就应当没有自旋角动量。这个其实和我们描述声音和声波的方式是逻辑自洽的，我们采用压强的疏密来描述声音，而压强是标量，一个标量场确实是没有旋转的。
不过实际上，空气中或者媒介中，产生压强的背后因素应当是有方向的，上下左右前后都应当是有区别的，所以仅仅用压强的疏密来描述声音是不完整的。
对此，任捷教授说：“其实，我们用一个四维的矢量场来描述声音才是完备的，尽管这个纵波场的旋度为零，但我们分析一下可知，其矢量极化是可以旋起来的。” 任捷教授和他的研究团队，经过理论论证推断出声音存在非零自旋角动量 [PNAS 115, 9951 (2018)]，并且与伯克利的研究团队合作进行实验观测。
实验结果与仿真计算的结果相吻合，确实观测到了声音的自旋现象。换句话说，即便旋度为零，局域声场的速度场极化确实在旋转。
图 2｜声波自旋的仿真与观测 （图片来源：[Natl. Sci. Rev. 6, 707 (2019)]）
声波特质新发现：自旋方向锁定传播方向
事实上，纯纵波系统不仅具有自旋角动量，更具有与自旋角动量概念不可分割的物理性质。
合作团队接着关注声波传播和声波自旋之间的联系，进行了理论仿真和实验验证，发现声波的自旋方向和传播方向是绑定在一起的：‘正转’ 的声波只能往左边跑，‘反转’的声波则只能往右边跑。研究成果以论文的形式发表于国际知名学术期刊 NSR，并被选为封面文章 [Natl. Sci. Rev. 6, 707 (2019)]。
图 3 ｜声波自旋的观测 （图片来源：[Natl. Sci. Rev. 6, 707 (2019)]）
基于这样的性质，任捷教授及他的同事设计并制作了很多具有特殊性质的声学器件。利用自旋方向锁定传播方向的性质，研究团队设计了一种特殊的波导器件。
在器件的中点放一个声源，那么往左或者往右传播的声波必须具有特定的自旋，这样也就形成一种选择或者控制机制 [Nat. Comm. 11, 4716 (2020)]。
图 4｜打破镜面对称的波导管 —— 自旋方向锁定传播方向的波导器件 （图片来源：[Nat. Comm. 11, 4716 (2020)]）
任捷团队在与南大团队的合作中甚至发现，在多个表面间，声音可以利用不同的自旋角动量或手性的对称性选择，形成不同的丰富传播路由选择，得到所谓的 “双面神” 耦合效应 [Natl. Sci. Rev. 7, 1024 (2020)]。
在未来，声自旋有望在多个方向，包括近场声传感器，无损探伤，定向传输，集成纳米声子器件等等，得到潜在应用。
图 5｜对称性选择的声近场耦合 —— 类似双面神一般的声学器件 （图片来源：[Natl. Sci. Rev. 7, 1024 (2020)]）
历史总是相似的，光的自旋角动量也曾受到质疑，但是越来越多的实验结果和理论论证出现之后，也被大家广泛接受，而相关的应用也具有改变人类生活的潜质。声波的自旋也正在经历这一切，也是让我们更加接近真实的世界走的重要一步。
我们其实也不知道真实的世界到底是怎么样的，只有不断去求真，我们所看到的世界才会愈来愈趋于真实。
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