自旋角动量是物理系统的一种内禀性质，预言了从宏观系统到微观量子的很多物理效应。从弹性波到光波，其自旋角动量（SAM）都与它们的局域旋转极化场有关。许多常见的波形，比如圆偏振平面波、双波干涉、表面倏逝波等都具有非零的自旋角动量。具有自旋角动量的物理系统可以表现出许多非常新奇的现象，比如自旋霍尔效应（SHE）、量子自旋霍尔效应（QSHE）等等。而这些现象使自旋角动量在很多方向都具有非常广阔的应用前景，比如控制经典波的输运、自旋选择性等离子激发、量子光学的手性依赖器件等等。以自旋为基础的器件的鲁棒性以及其能够灵活控制的性质使它在许多手性器件研发等领域都具有非常大的潜在应用优势。到目前为止，人们对于光子的自旋角动量已经进行了大量的研究。但是，在声学领域，因为纵波是无旋的，过去人们并没有考虑自旋角动量存在的可能性，直到近年来，同济团队才从理论和实验上，陆续揭示了声自旋角动量的存在。
图示：a.具有超表面边界的圆柱形波导管。侧边的共振腔可以用来实现具有任意反射相位φ≠0的声超表面。b.具有超表面边界的波导管的原胞。c.在2.9kHz时，传播方向不同的波导模式具有相反的自旋角动量。d.对于多通道时，由于自旋角动量匹配，声波会选择性的沿着一侧传播。反转入射波的自旋方向，将会使波沿着另一侧传播。e.通过螺旋波导管的超表面实现相位调制器。
基于声速度矢量场，该项最新进展提出了一种具有超表面边界的波导管来演示多个声自旋角动量相关的鲁棒性输运，如图中a在引入了超表面边界条件之后，特定的波导模式会产生一个非零的自旋角动量，如图b。这些模式的自旋角动量与波的传播方向具有强烈锁定关系，沿不同方向传播的声波具有不同的自旋角动量，这类似于量子自旋霍尔效应中的自旋动量锁定。所以，如果声波通过具有不同的自旋动量依赖的多通道波导管时，将会产生自旋选择性。如果不翻转自旋角动量，声波导管模式会强烈抑制背散射。简单来说，当声波经过具有不同自旋角动量的波导管时会具有选择性输运，其只沿着自旋角动量匹配的通道输运，而自旋角动量相反的通道波输运将会被抑制。该团队通过实验证明了这几个自旋相关的现象。并且通过逐步螺旋波导管原胞的超表面边界，如图e所示，实现了相位的调制。这一研究结果将为弹性波中的自旋机制提供新的观点，并为声自旋相关的波控制提供了新的思路。
我校物理科学与工程学院博士研究生龙洋和博士研究生张丹妹为该论文共同第一作者，任捷教授为通讯作者，陈鸿教授、葛剑敏教授、杨晨温博士生对文章作出了重要贡献。
近年来，任捷教授团队与合作者在声自旋领域取得了系列原创性成果，在《美国国家科学院院刊》（PNAS）[Proc. Natl. Acad. Sci. U SA115, 9951-9955(2018)]《国家科学评论》（NSR）[Natl. Sci. Rev.6, 707-712(2019)，Natl. Sci. Rev. 7，1024–1035 (2020)]等国际期刊上发表了一系列重要研究成果。该项工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、上海市科委、上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室等项目资助。
