在物理學(xué)的宏偉殿堂中，聲子長期以來被視為晶格振動(dòng)的量子化準(zhǔn)粒子，它們是熱傳導(dǎo)的主要載體，也是理解晶體熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵。然而，一個(gè)長期被忽視但至關(guān)重要的物理量——角動(dòng)量，在聲子的世界中卻一直處于理論猜想與實(shí)驗(yàn)空白的模糊地帶。直到近期，發(fā)表在《自然·物理學(xué)》一篇名為《測量聲子角動(dòng)量》（Measurement of phonon angular momentum）的開創(chuàng)性論文發(fā)表，才首次以實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)了聲子不僅可以攜帶能量和動(dòng)量，還可以攜帶角動(dòng)量。這篇論文不僅填補(bǔ)了物理學(xué)的一個(gè)重要空白，更開啟了利用聲子角動(dòng)量進(jìn)行信息傳輸和能量控制的新領(lǐng)域，為聲子學(xué)注入了新的活力。

聲子：從經(jīng)典振動(dòng)到量子化準(zhǔn)粒子

在深入探討聲子角動(dòng)量的測量之前，我們必須先回顧聲子的基本概念。從經(jīng)典物理的角度來看，晶體中的原子排列在周期性的晶格點(diǎn)上，就像一個(gè)由彈簧連接的原子陣列。當(dāng)晶體受到熱擾動(dòng)時(shí)，這些原子會(huì)集體振動(dòng)，形成所謂的晶格振動(dòng)模式。在量子力學(xué)的框架下，這些集體振動(dòng)模式被量子化，其能量量子化的單元即為聲子。聲子因此被視為一種準(zhǔn)粒子，類似于光子是電磁場能量量子化的單元。聲子分為兩種基本類型：光學(xué)聲子和聲學(xué)聲子。聲學(xué)聲子負(fù)責(zé)長波長的集體振動(dòng)，主要與熱傳導(dǎo)相關(guān)；光學(xué)聲子則涉及晶格內(nèi)相鄰原子反相振動(dòng)，常與紅外吸收和拉曼散射有關(guān)。

傳統(tǒng)上，人們認(rèn)為聲子的振動(dòng)模式是線性的，因此不攜帶角動(dòng)量。這種觀點(diǎn)在多數(shù)晶體中是成立的，因?yàn)檫@些晶體的對稱性使得左旋和右旋的振動(dòng)模式在能量上是簡并的。然而，理論物理學(xué)家們逐漸意識到，在某些特殊的晶體結(jié)構(gòu)中，尤其是那些缺乏空間反演對稱性和鏡面對稱性的手性晶體中，聲子可能會(huì)表現(xiàn)出圓偏振的振動(dòng)模式，從而產(chǎn)生凈的角動(dòng)量。就像光子的圓偏振態(tài)可以攜帶角動(dòng)量一樣，聲子的圓偏振態(tài)也可以攜帶角動(dòng)量。這種攜帶角動(dòng)量的聲子被稱為“手性聲子”。

實(shí)驗(yàn)的巧妙構(gòu)思：將微觀效應(yīng)轉(zhuǎn)化為宏觀力矩

這篇論文的核心突破，在于其巧妙地將微觀的聲子角動(dòng)量轉(zhuǎn)化為可以宏觀測量的機(jī)械力矩。這背后依賴的是一個(gè)基本但深刻的物理原理：角動(dòng)量守恒。如果一個(gè)系統(tǒng)中的某個(gè)部分（例如聲子）獲得了凈的角動(dòng)量，那么為了保持整個(gè)系統(tǒng)的總角動(dòng)量守恒，系統(tǒng)的其余部分（例如晶體本身）必然會(huì)獲得一個(gè)大小相等、方向相反的角動(dòng)量。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員選擇了手性碲單晶作為實(shí)驗(yàn)材料。手性碲的晶體結(jié)構(gòu)就像左旋和右旋的螺旋，這種固有的手性結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生圓偏振聲子的關(guān)鍵。接下來，他們在碲晶體上施加了一個(gè)熱梯度——一端加熱，一端冷卻。這個(gè)熱梯度打破了系統(tǒng)的熱平衡態(tài)，驅(qū)動(dòng)聲子從高溫端流向低溫端，形成一個(gè)定向的聲子熱流。在手性晶體結(jié)構(gòu)的作用下，這種定向熱流使得聲子偏向于某種特定的圓偏振模式，從而在熱流方向上產(chǎn)生一個(gè)凈的聲子角動(dòng)量。根據(jù)角動(dòng)量守恒，這個(gè)凈的聲子角動(dòng)量會(huì)施加一個(gè)反向的機(jī)械力矩在整個(gè)晶體上，使其產(chǎn)生微小的旋轉(zhuǎn)趨勢。

為了精確測量這個(gè)極其微小的力矩，研究人員構(gòu)建了一個(gè)高靈敏度的懸臂梁式裝置。他們將碲晶體懸掛在這個(gè)裝置上，通過高精度光學(xué)方法探測懸臂梁的微小偏轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人振奮：當(dāng)在碲晶體上施加熱梯度時(shí)，懸臂梁確實(shí)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，表明晶體受到了一個(gè)微弱的力矩作用。更重要的是，當(dāng)他們反轉(zhuǎn)熱梯度的方向時(shí)，力矩的方向也隨之反轉(zhuǎn)。同樣，當(dāng)他們使用具有相反手性的碲晶體時(shí)，力矩的方向也發(fā)生了反轉(zhuǎn)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的系統(tǒng)性與可重復(fù)性，強(qiáng)有力地證明了所測量的力矩確實(shí)來源于聲子角動(dòng)量。

論文的深遠(yuǎn)影響與未來展望

這篇論文的發(fā)表，標(biāo)志著聲子學(xué)進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。它的意義遠(yuǎn)不止于證實(shí)了一個(gè)理論猜想，更在于它為未來物理學(xué)和工程學(xué)的發(fā)展提供了新的思路。

首先，它拓展了我們對聲子物理學(xué)的理解。聲子不再僅僅是能量和動(dòng)量的載體，它們還被證明可以攜帶角動(dòng)量，這使得聲子與光子、電子一樣，成為可以攜帶多種物理信息的量子準(zhǔn)粒子。這一發(fā)現(xiàn)為研究聲子與光子、電子、自旋的相互作用提供了新的可能性。例如，圓偏振聲子可以與圓偏振光子或電子的自旋相互作用，從而實(shí)現(xiàn)不同自由度之間的信息轉(zhuǎn)換。

其次，這一發(fā)現(xiàn)為聲子學(xué)在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。聲子角動(dòng)量作為一個(gè)新的自由度，可以被用來編碼和傳輸信息。這有望發(fā)展出基于聲子角動(dòng)量的新型聲子器件。例如，可以設(shè)計(jì)一種類似于光子角動(dòng)量調(diào)制器的聲子器件，用于在芯片內(nèi)部進(jìn)行高速、低能耗的信息處理。此外，利用聲子角動(dòng)量還可以探索拓?fù)渎曌訉W(xué)的新領(lǐng)域，研究具有拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)的聲子態(tài)，從而開發(fā)出對雜質(zhì)和缺陷不敏感的聲子傳輸路徑。

最后，這項(xiàng)研究為熱能轉(zhuǎn)換和控制提供了新的工具。通過控制聲子的角動(dòng)量，我們可以精細(xì)地調(diào)控?zé)崃鞯姆较蚝托再|(zhì)，這在熱電轉(zhuǎn)換、熱管理和聲子制冷等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。