《自然·物理学》重磅：首次观测到声子的角动量

在物理学的宏伟殿堂中，声子长期以来被视为晶格振动的量子化准粒子，它们是热传导的主要载体，也是理解晶体热学、电学和光学性质的关键。然而，一个长期被忽视但至关重要的物理量——角动量，在声子的世界中却一直处于理论猜想与实验空白的模糊地带。直到近期，发表在《自然·物理学》一篇名为《测量声子角动量》（Measurement of phonon angular momentum）的开创性论文发表，才首次以实验证据证实了声子不仅可以携带能量和动量，还可以携带角动量。这篇论文不仅填补了物理学的一个重要空白，更开启了利用声子角动量进行信息传输和能量控制的新领域，为声子学注入了新的活力。

声子：从经典振动到量子化准粒子

在深入探讨声子角动量的测量之前，我们必须先回顾声子的基本概念。从经典物理的角度来看，晶体中的原子排列在周期性的晶格点上，就像一个由弹簧连接的原子阵列。当晶体受到热扰动时，这些原子会集体振动，形成所谓的晶格振动模式。在量子力学的框架下，这些集体振动模式被量子化，其能量量子化的单元即为声子。声子因此被视为一种准粒子，类似于光子是电磁场能量量子化的单元。声子分为两种基本类型：光学声子和声学声子。声学声子负责长波长的集体振动，主要与热传导相关；光学声子则涉及晶格内相邻原子反相振动，常与红外吸收和拉曼散射有关。

传统上，人们认为声子的振动模式是线性的，因此不携带角动量。这种观点在多数晶体中是成立的，因为这些晶体的对称性使得左旋和右旋的振动模式在能量上是简并的。然而，理论物理学家们逐渐意识到，在某些特殊的晶体结构中，尤其是那些缺乏空间反演对称性和镜面对称性的手性晶体中，声子可能会表现出圆偏振的振动模式，从而产生净的角动量。就像光子的圆偏振态可以携带角动量一样，声子的圆偏振态也可以携带角动量。这种携带角动量的声子被称为“手性声子”。

实验的巧妙构思：将微观效应转化为宏观力矩

这篇论文的核心突破，在于其巧妙地将微观的声子角动量转化为可以宏观测量的机械力矩。这背后依赖的是一个基本但深刻的物理原理：角动量守恒。如果一个系统中的某个部分（例如声子）获得了净的角动量，那么为了保持整个系统的总角动量守恒，系统的其余部分（例如晶体本身）必然会获得一个大小相等、方向相反的角动量。

为了实现这一目标，研究人员选择了手性碲单晶作为实验材料。手性碲的晶体结构就像左旋和右旋的螺旋，这种固有的手性结构是产生圆偏振声子的关键。接下来，他们在碲晶体上施加了一个热梯度——一端加热，一端冷却。这个热梯度打破了系统的热平衡态，驱动声子从高温端流向低温端，形成一个定向的声子热流。在手性晶体结构的作用下，这种定向热流使得声子偏向于某种特定的圆偏振模式，从而在热流方向上产生一个净的声子角动量。根据角动量守恒，这个净的声子角动量会施加一个反向的机械力矩在整个晶体上，使其产生微小的旋转趋势。

为了精确测量这个极其微小的力矩，研究人员构建了一个高灵敏度的悬臂梁式装置。他们将碲晶体悬挂在这个装置上，通过高精度光学方法探测悬臂梁的微小偏转。实验结果令人振奋：当在碲晶体上施加热梯度时，悬臂梁确实发生了偏转，表明晶体受到了一个微弱的力矩作用。更重要的是，当他们反转热梯度的方向时，力矩的方向也随之反转。同样，当他们使用具有相反手性的碲晶体时，力矩的方向也发生了反转。这些实验结果的系统性与可重复性，强有力地证明了所测量的力矩确实来源于声子角动量。

论文的深远影响与未来展望

这篇论文的发表，标志着声子学进入了一个全新的时代。它的意义远不止于证实了一个理论猜想，更在于它为未来物理学和工程学的发展提供了新的思路。

首先，它拓展了我们对声子物理学的理解。声子不再仅仅是能量和动量的载体，它们还被证明可以携带角动量，这使得声子与光子、电子一样，成为可以携带多种物理信息的量子准粒子。这一发现为研究声子与光子、电子、自旋的相互作用提供了新的可能性。例如，圆偏振声子可以与圆偏振光子或电子的自旋相互作用，从而实现不同自由度之间的信息转换。

其次，这一发现为声子学在信息技术领域的应用奠定了基础。声子角动量作为一个新的自由度，可以被用来编码和传输信息。这有望发展出基于声子角动量的新型声子器件。例如，可以设计一种类似于光子角动量调制器的声子器件，用于在芯片内部进行高速、低能耗的信息处理。此外，利用声子角动量还可以探索拓扑声子学的新领域，研究具有拓扑保护性质的声子态，从而开发出对杂质和缺陷不敏感的声子传输路径。

最后，这项研究为热能转换和控制提供了新的工具。通过控制声子的角动量，我们可以精细地调控热流的方向和性质，这在热电转换、热管理和声子制冷等领域具有潜在的应用价值。