近期，中国科大苏州高研院蒋建华教授团队与南京大学、苏州大学合作在声学涡旋束角动量与自旋-轨道相互作用的研究中取得重要进展。该研究成果以“Longitudinal acoustic spin and global spin–orbit interaction in vortex beams”为题发表在《Reports on Progress in Physics》杂志上[Rep. Prog. Phys. 88, 110501 (2025)]。
角动量是物理学中波的两个基本属性——自旋角动量和轨道角动量 。传统认知中，声波作为典型的纵波，被认为具有零自旋的性质 。尽管已有研究发现了声波中存在局部的自旋角动量密度 ，但当对整个声场进行空间积分时，总的纵向自旋角动量通常是消失的。这种总纵向自旋角动量的缺失，导致在声学系统中，缺乏一个关键的全局自旋自由度 ，使得基于自旋的波束操控变得十分困难和脆弱 。同时，它也极大地限制了全局自旋-轨道相互作用在纵向声学系统中的探索和研究 。因此，建立一套自洽的理论框架，突破纵波零自旋的传统局限，发现并验证声波中的全局自旋自由度及其与轨道角动量的相互作用机制，是推动声学及其应用发展的关键科学挑战 。
本研究从一套自洽的类量子理论框架出发 ，首次系统地建立了声学涡旋束的自旋、轨道和总角动量的理论，并发现了一个突破性的现象：在圆柱形波导模式中，传播的声场可以携带非零的积分纵向自旋角动量 ，这颠覆了纵波零自旋的传统理解 。研究还深入探究了声学中规范-闵可夫斯基（Canonical-Minkowski）和动能-亚伯拉罕（Kinetic-Abraham）两种角动量之间的联系与区别 ，并证明了只有前者在对应对称性下是守恒的。基于发现的非零纵向声学自旋，研究揭示了一种全新的全局自旋-轨道相互作用机制：通过压缩或扩展涡旋束（即改变波导横截面），可以定量地控制自旋角动量和轨道角动量之间的相互转化。这一机制通过设计渐变横截面的声学波导，并结合理论、数值模拟和实验测量，首次成功地实现了声学全局自旋-轨道相互作用的观测和验证，为声波在通信、传感等领域的应用开辟了新途径。
图1. 纵向声学涡旋束中全局自旋-轨道相互作用的实验验证
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。中国科学技术大学苏州高等研究院蒋建华教授与南京大学程建春教授、梁彬教授、刘京京副研究员为论文通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1088/1361-6633/ae15bc
（生物医学工程学院、科研部）
