Können elastische Wellen einen Spin haben?

Der Spin ist eines der Kernkonzepte der Physik und seine Erforschung eröffnet uns die wunderbare Quantenwelt. Interessanterweise existiert der Spin-Drehimpuls nicht nur in Quantensystemen, sondern auch in klassischen Wellensystemen. Lange Zeit glaubte man, dass nur zirkular polarisierte Transversalwellen (wie etwa elektromagnetische Wellen) einen Spin besitzen, da bei elastischen Longitudinalwellen (wie etwa Schallwellen in einer Flüssigkeit) keine Polarisation senkrecht zur Ausbreitungsrichtung existiert. Ist das wirklich der Fall? Dieser Artikel stellt die Erforschung des Spins elastischer Wellen vor.

Geschrieben von | Jung

1 Einleitung: Ausgehend vom Drehimpuls

Ich glaube, jeder hat schon einmal mit einem Kreisel gespielt und weiß, wie viel Spaß es macht: Je schneller er sich dreht, desto schwerer fällt er. Wenn es im Begriff ist zu fallen, fällt es nicht direkt unter der Einwirkung der Schwerkraft, sondern dreht sich weiterhin schief. Denn je schneller sich das Gyroskop dreht, desto größer ist sein Drehimpuls entlang seiner Rotationsachse und desto schwieriger ist es, die Richtung der Rotationsachse des Gyroskops zu ändern. Diese Eigenschaften eines Gyroskops lassen sich in einem Gesetz zusammenfassen: der Erhaltung des Drehimpulses.

Heutzutage werden Winkelgeschwindigkeitssensoren, die nach Gyroskopen benannt sind, in vielen verschiedenen Szenarien eingesetzt. Ob es sich nun um Massenkonsumgüter wie Mobiltelefone oder um die Grenze der menschlichen Erforschung wie Satelliten handelt, sie alle sind auf Gyroskope angewiesen, um ihre Position und Richtung zu erfassen. Obwohl sich ihre Struktur stark von der von Spielzeuggyroskopen unterscheidet, beruht ihre Kernfunktion dennoch auf der Ausnutzung des grundlegenden physikalischen Gesetzes der Drehimpulserhaltung. Man kann sagen, dass die Forschung zum Drehimpuls ein unverzichtbarer Teil der Grundlagenforschung und der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung ist.

Bei der Untersuchung verschiedener physikalischer Systeme wurde auch den drehimpulsbezogenen Eigenschaften von Wellen große Aufmerksamkeit gewidmet. Beispielsweise gibt es bei elektromagnetischen Wellen einen „Spin“-Drehimpuls, der durch die Polarisationseigenschaften des elektromagnetischen Felds bestimmt wird, und einen „Orbital“-Drehimpuls, der durch die räumliche Verteilung der Phase bestimmt wird. Eine sinnvolle Charakterisierung und Manipulation des Drehimpulses elektromagnetischer Wellen kann Menschen dabei helfen, Kommunikationskanäle und Bandbreite zu verbessern. In ähnlicher Weise kann bei der Untersuchung von Luftschallwellen der Drehimpuls der Umlaufbahn auch dazu verwendet werden, die Kanäle und die Bandbreite der Schallwellenkommunikation zu verbessern und die Rotation von Partikeln zu manipulieren. Im Vergleich zu elektromagnetischen Wellen achten die Menschen bei Schallwellen stärker auf den „orbitalen“ Drehimpuls. Da Luft eine Flüssigkeit ist und in einer idealen Flüssigkeit keine Scherkräfte vorhanden sind, bedeutet dies im Allgemeinen, dass das Geschwindigkeitsfeld von in der Luft übertragenen Schallwellen keine Krümmung aufweist. Daher weisen Luftschallwellen kein Polarisationsverhalten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung auf, ähnlich wie elektromagnetische Wellen; und es bestand schon immer Einigkeit darüber, dass „Schallwellen keinen Spin-Drehimpuls haben“, was sich aus der Tatsache ableitet, dass „Schallwellen rotationsfrei sind“. Können wir jedoch wirklich keine Rotation mit keinem Spin-Drehimpuls gleichsetzen?

Wir wissen, dass Schallwellen tatsächlich die elastische Schwingung des Mediums beschreiben. Im weiteren Sinne umfassen Schallwellen nicht nur Schallwellen in flüssigen Medien wie Luft, sondern auch Schallwellen in festen Medien. Wir können sie zusammenfassend als elastische Wellen bezeichnen. Um die Frage „Hat Luftschall einen Spin-Drehimpuls?“ systematischer zu untersuchen, können wir uns auch den Drehimpuls elastischer Wellen ansehen.

2 Drehimpuls in elastischen Wellen

Bevor wir beginnen, den Drehimpuls elastischer Wellen zu untersuchen, müssen wir zwei Fragen klären:

1. Ist der „Spin“, von dem wir sprechen, der Spin in der Quantenmechanik?

Um den Spin von Wellen in makroskopischen Systemen zu untersuchen, sind keine Kenntnisse der Quantenmechanik erforderlich. Nehmen wir elektromagnetische Wellen als Beispiel: In der Quantenoptik ist der Spin-Drehimpuls elektromagnetischer Wellen eigentlich der Spin von Photonen. Wenn man jedoch elektromagnetische Wellen aus einer makroskopischen Perspektive untersucht, ohne in den Bereich der Quanteneffekte einzudringen, kann das zirkular polarisierte klassische elektromagnetische Feld einen Spin-Drehimpuls besitzen.

(ii) Da die quantisierte Beschreibung elektromagnetischer Wellen Photonen sind, wie lautet dann die quantisierte Beschreibung elastischer Wellen? Hat es Spin?

Die quantisierte Beschreibung elastischer Wellen erfolgt durch „Phononen“ [1], und die Spins elastischer Wellen und Phononen können auch durch die quantisierte Beschreibung von Feldern verknüpft werden [2]. Obwohl der Phononenspin bereits 1961 untersucht wurde, konzentrierte sich die frühere Forschung eher auf „Transversalwellen“-Phononen (d. h. den zirkular polarisierten Modus der Scherschwingung) und konnte nicht beantworten, ob „Longitudinalwellen“ mit Nullrotation einen Spin-Drehimpuls haben.

Die folgende Diskussion in diesem Artikel basiert noch überwiegend auf der klassischen Perspektive.

In der klassischen Mechanik wird der Drehimpuls L eines Teilchens in Bezug auf einen Fixpunkt O wie folgt definiert:

Dabei ist r der Positionsvektor, der vom Punkt O zum Teilchen zeigt, p ist der Impuls des Teilchens (das heißt, das Produkt aus der Masse des Teilchens und der Geschwindigkeit des Teilchens) und x stellt das Kreuzprodukt der Vektoren dar. Wenn das elastische Medium als eine Ansammlung von Massenpunkten betrachtet wird, dann sind elastische Wellen die Schwingungen dieser Massenpunkte (wie in Abbildung 1 dargestellt). Der Drehimpuls, den diese Partikel während der Schwingung relativ zu einem festen Punkt O übertragen, ist der Drehimpuls, den die elastischen Wellen übertragen.

Abbildung 1 Elastische Wellen können als eine Reihe von Teilchenschwingungen betrachtet werden.

Es ist erwähnenswert, dass das häufig diskutierte kontinuierliche Medium, das elastische Wellen transportiert, Anforderungen an die Positionsbeziehung zwischen seinen Massenelementen stellt, die sich von denen frei beweglicher Partikel unterscheiden.

Abb. 2 Doppelsternsystem.

Beispielsweise können zwei freie Teilchen die in Abbildung 2 dargestellte binäre Bewegung ausführen. Bei elastischen Wellen verhalten sich zwei beliebige Massenelemente im Medium jedoch eher wie zwei Punkte auf einem Stück Stoff. Unter der Voraussetzung, dass das Tuch nicht zerreißt und sich nicht als Ganzes bewegt, können diese beiden Mikromassenelemente kein Duett wie das oben beschriebene Doppelsternsystem bilden. Daher lassen sich elastische Wellen besser durch kontinuierliche „Felder“ als durch diskrete Teilchen beschreiben.

Wenn keine elastische Wellenausbreitung stattfindet, nehmen wir an, dass der Positionsvektor des Massenelements relativ zum Ursprung des Koordinatensystems r ist; Bei einer elastischen Welle ist die Position des Massenelements u(t)+r, wobei u der Vektor ist, der die Abweichung des Massenelements von der Gleichgewichtsposition darstellt, die eine zeitbezogene Funktion ist. Auf diese Weise erhalten wir ein zeitabhängiges Vektorfeld, das elastische Wellen darstellen kann: u(r, t), was bedeutet, dass an jeder Gleichgewichtsposition r ein Verschiebungsvektor u erhalten wird. Die Gleichgewichtsposition r hat nichts mit der Zeit zu tun, daher wird sich das „Tuch“ nicht als Ganzes bewegen; und wir verlangen, dass die Ableitung dieses Vektorfeldes existiert und kontinuierlich ist, was sicherstellt, dass der „Stoff“ immer glatt ist und nicht reißt. Daher können wir das Partikeldiagramm genauso gut durch ein Diagramm des Vektorfelds u(t)+r ersetzen, wobei der Startpunkt des Pfeils bei r liegt, die Richtung des Pfeils die Richtung von u darstellt und die Größe des Pfeils |u| darstellt. Am Beispiel der festen akustischen Oberflächenwelle (Rayleigh-Welle) in Abbildung 3 kann die Schwingung einer Ansammlung von Partikeln durch ein Vektorfeld beschrieben werden, das sich mit der Zeit ändert.

Abb. 3 Rayleigh-Wellen in einem Festkörper; Das linke Bild ist ein Partikelbild und das rechte Bild ist ein Verschiebungsfeldbild.

Wie sollten wir also den Drehimpuls dieses Feldes diskutieren?

Befolgen wir Lord Bulls Rat und stehen wir auf den Schultern von Riesen. Ich habe Emmy Noether, eine Gigantin der Mathematik und Physik. (Anmerkung des Herausgebers: Siehe „Ein von den Göttern der Mathematik bewunderter Mathematiker, dessen Theoreme zum Eckpfeiler der Physik des 20. Jahrhunderts wurden.“)

Emmy Noether (1882–1935)

Sie sagt uns, dass jede Differentialsymmetrie der Wirkung eines physikalischen Systems einen entsprechenden Erhaltungssatz hat. Einfach ausgedrückt: Wir verschieben, drehen oder verdrehen das Koordinatensystem eines physikalischen Systems, während wir die Wirkungsgröße gleich lassen, und können dann die entsprechende Erhaltungsgröße ermitteln. Beispielsweise entspricht die Zeittranslationssymmetrie der Energieerhaltung, die Raumtranslationssymmetrie der Impulserhaltung und die Raumrotationssymmetrie der Drehimpulserhaltung. Bei elastischen Wellen müssen wir nur ihre Lagrange-Funktion aufschreiben, transformieren und drehen, um die Form des Drehimpulses der elastischen Welle zu erhalten.

Was die Trennung von Umlaufbahnen und Spins bei Rotationsoperationen betrifft, können wir von der Sprache der „Operatoren“ und Rotationsmatrizen ausgehen (beachten Sie, dass dies nicht bedeutet, dass wir Quanteneffekte berücksichtigen müssen, um Spins elastischer Wellen zu beschreiben) und eine „einfache“ Art des Verständnisses bieten, die üblicherweise in Lehrbüchern verwendet wird. Bei infinitesimalen Rotationen eines Vektorfeldes kann die Rotation als zwei Teile aufgefasst werden: eine Rotation um das Koordinatensystem (blau dargestellt in Abbildung 4) und eine Rotation um den Vektor selbst (rot dargestellt in Abbildung 4). Erstere kann den „Orbital“-Teil ergeben, letztere den „Spin“-Teil. Wir können den Unterschied zwischen „Umlaufbahn“ und „Spin“ erkennen: Erstere bezieht sich auf die Gesamtverteilung im Raum.

Der Unterschied zwischen Bahndrehimpuls und Spindrehimpuls lässt sich anhand des Vorhandenseins oder Fehlens von r im Ausdruck nicht sehr intuitiv erklären. Um den Unterschied zwischen den beiden deutlicher zu verdeutlichen, können wir uns einen extrem dünnen elastischen Ring vorstellen und annehmen, dass der Ring nur mit der Bahndrehimpulsdichte/Spindrehimpulsdichte vibriert, um zu sehen, wie der entsprechende Vibrationsmodus aussieht. Wie in Abbildung 5 gezeigt, stellt der schwarze Kreis die Gleichgewichtsposition des Rings dar, und eine Reihe schwarzer Pfeile, die u darstellen, werden mit diesem Kreis als Ausgangspunkt gezeichnet.

Abb. 5. Zeitliche Entwicklung des Verschiebungsfeldes (schwarze Pfeile), wenn nur die orbitale Drehimpulsdichte (OAM) vorhanden ist. Es ist ersichtlich, dass das Verschiebungsfeld an jeder Position seine Richtung nicht ändert, der Schwingungsmodus jedoch insgesamt rotiert.

Zu diesem Zeitpunkt ist der Schwingungszustand des gesamten Rings „drehend“, aber jeder schwarze Pfeil hat nicht die Richtung geändert, sondern nur seine Größe. Dies bedeutet, dass die Bewegung des Mikromasseelements immer „geradeaus vorwärts und rückwärts“ erfolgt. Durch Beobachtung der Vibration an einer festen Position auf dem Ring allein lässt sich feststellen, dass das Mikromassenelement selbst nicht rotiert, d. h., die Spin-Drehimpulsdichte ist Null (jedes Mikromassenelement selbst weist keine zirkular polarisierte Vibration auf), die Bahndrehimpulsdichte ist jedoch nicht Null – der Vibrationszustand (oder Energiefluss) des Mikromassenelements breitet sich gegen den Uhrzeigersinn aus. Wenn sich der Schwingungsmodus auf dem Ring also nicht entlang des Rings ausbreitet, gibt es dann keinen Bahndrehimpuls? Ja, genau wie bei dem in Abbildung 6 gezeigten Ring ist sein Gesamtdrehimpuls in der Bahn Null.

Abb. 6 Zeitliche Variation des Verschiebungsfelds, wenn nur die Spin-Drehimpulsdichte (SAM) vorhanden ist. Es ist ersichtlich, dass sich der Schwingungsmodus nicht als Ganzes dreht, sondern dass sich das Verschiebungsfeld an jeder festen Position dreht.

Offensichtlich breitet sich der Schwingungszustand des Rings zu diesem Zeitpunkt weder im Uhrzeigersinn noch gegen den Uhrzeigersinn entlang des Rings aus, aber der schwarze Vektor, der die Verschiebung des Massenelements darstellt, rotiert, d. h. diese Massenelemente tragen einen Drehimpuls. Daher ist die Bahndrehimpulsdichte dieses Rings Null, die Spindrehimpulsdichte jedoch ungleich Null.

Es ist erwähnenswert, dass wir aus der obigen Analyse auch erkennen können, dass der Spin des Feldes (der Welle) die Rotation des Feldpolarisationsvektors (wie Verschiebung, Geschwindigkeit) mit der Zeit ist und nichts mit dem räumlichen Wirbel des Feldvektors zu tun hat. Daher kann selbst in einer Flüssigkeit, die nur reine Longitudinalwellen ausbreiten kann (deren Verschiebungsfeldrotation Null ist), wie beispielsweise Luftschallwellen, ein Spindrehimpuls transportiert werden [3, 4]. An diesem Punkt können wir abschließend sagen, dass „Schallwellen sind rotationsfrei“ nicht zu „Schallwellen haben keinen Spin-Drehimpuls“ führt.

3 Warum sind elastische Wellen so einzigartig? Der Beitrag hybridisierter Spins

Durch die vorherige Diskussion haben wir grob verstanden, was der Spin-Drehimpuls elastischer Wellen ist, und auch die Frage beantwortet, ob ein rotationsfreies Feld einen Spin-Drehimpuls haben kann. Im nächsten Schritt geht es darum, darüber nachzudenken, welche interessanten Eigenschaften der Spin elastischer Wellen hat.

Der rote Teil in der obigen Gleichung ist der transversal-longitudinale Kreuzterm, der in reinen Transversalwellen oder reinen Longitudinalwellen nicht auftritt. Wir können dies den „hybridisierten“ Beitrag zum Drehimpuls des Spins elastischer Wellen nennen. Das Vorhandensein von „hybriden“ Spins führt zu elastischen Wellenspins mit einer reicheren Struktur. Beispielsweise scheint in einem Oberflächenwellensystem die Spinverteilung elastischer Wellen „einzigartig“ zu sein [5].

Abbildung 7a–d entspricht Oberflächenwasserwellen, elektromagnetischen Oberflächenwellen, akustischen Oberflächenluftwellen bzw. Rayleigh-Wellen. Die blaue Farbe in der Farbkarte zeigt an, dass die Richtung der Spin-Drehimpulsdichte senkrecht zur Papieroberfläche und nach innen (negativ) verläuft, und die rote Farbe stellt die Richtung senkrecht zur Papieroberfläche und nach außen (positiv) dar. Der schwarze Pfeil stellt die Größe und Richtung des Vektorfelds dar, und die entsprechende elliptische Polarisationsrichtung ist rechts eingezeichnet. Offensichtlich weist die elastische Oberflächenwelle ganz rechts erhebliche Unterschiede in der Spinverteilung gegenüber den ersten drei Systemen auf.

Die in Abbildung 7 dargestellten Vektorfelder mehrerer Oberflächenwellen sind mathematisch sehr ähnlich [5] und ihre Amplituden nehmen mit zunehmender Tiefe exponentiell ab. Obwohl die Rotation und Divergenz (als geometrische Eigenschaften im räumlichen Bereich) der ersten drei Felder unterschiedlich sind, ist ihre Spindichte (als Rotationseigenschaften im Zeitbereich) ähnlich. Sie stehen alle senkrecht zur Papieroberfläche und nach innen, und ihre Größe nimmt mit zunehmender Tiefe allmählich ab. Anders verhält es sich bei elastischen Oberflächenwellen (d. h. Rayleigh-Wellen). Die Drehrichtung auf der Oberfläche des elastischen Mediums ist nicht nur senkrecht zum Papier und zeigt nach außen, sondern die Drehrichtung kehrt sich mit zunehmender Tiefe auch um. Dies liegt tatsächlich an der Existenz von „hybriden“ Spins, die elastische Wellen von anderen Systemen unterscheiden.

Heute wird die klassische Theorie der elastischen Wellen in vielen Bereichen breit angewendet. Von technischen Anwendungen wie Erdbebenforschung, geologischer Erkundung, zerstörungsfreier Prüfung, Oberflächenwellenfiltern bis hin zu hochmoderner Exploration auf der Basis elastischer Metamaterialien, lichtelastischer und magnetoelastischer Kopplungssysteme – alle erfordern die Regulierung elastischer Wellen. Die Kombination der ausgereiften Theorie elastischer Wellen mit der neuen Perspektive des „elastischen Spins“ kann einige neue Ideen für praktische Anwendungen liefern. Die durch die „Hybridisierung“ hervorgerufenen Eigenschaften können auch zu einigen einzigartigen Regulierungsmethoden elastischer Wellen inspirieren.

Bei der Ultraschallprüfung sind beispielsweise die Anregung und Identifizierung geführter Wellenmodi von entscheidender Bedeutung. Verschiedene geführte Wellenmodi reagieren unterschiedlich auf Defekte und es ist sehr wichtig, reine geführte Wellenmodi gezielt anzuregen. Hier nehmen wir Lamb-Wellen, einen Grundtyp elastischer Wellenleiter, als Beispiel und vergleichen Lamb-Wellen mit ähnlichen geführten Wellen in anderen Systemen, um den Unterschied in ihrer Spinverteilung zu erkennen.

In einem zweidimensionalen Wellenleiter kann der Wellenleiter entsprechend der Symmetrie der Schwingungsmodi an den oberen und unteren Grenzen des Wellenleiters in zwei Typen unterteilt werden: symmetrischer Modus und antisymmetrischer Modus.

Abb. 8 Symmetrische und antisymmetrische Modi elektromagnetischer Wellen. Schwarze Pfeile zeigen das elektrische Feld an. Hier sind die Richtungen der Spindichten der oberen und unteren Oberfläche für die symmetrischen und antisymmetrischen Modi gleich.

Abb. 9 Symmetrische und antisymmetrische Modi von in der Luft übertragenen Schallwellen. Die schwarzen Pfeile zeigen das Geschwindigkeitsfeld an. Hier sind die Richtungen der Spindichten der oberen und unteren Oberfläche für die symmetrischen und antisymmetrischen Modi gleich.

Abb. 10 Symmetrische und antisymmetrische Modi elastischer Plattenwellen (Lamb-Wellen). Die schwarzen Pfeile zeigen das Verschiebungsfeld an. Es ist ersichtlich, dass im Gegensatz zu den geführten Wellenmodi elektromagnetischer Wellen und akustischer Luftwellen die Richtungen der Spindichten der oberen und unteren Oberfläche in den symmetrischen und antisymmetrischen Modi von Lamb-Wellen entgegengesetzt sind.

Aus den Abbildungen 8 bis 10 können wir ersehen, dass nur die symmetrischen/antisymmetrischen Modi (S/A-Modi) elastischer Wellen entgegengesetzte Spin-Drehimpulsverteilungen aufweisen. Durch Berechnung (Abbildung 11) ist ersichtlich, dass der Unterschied zwischen dem S-Modus und dem A-Modus durch den Beitrag des „Hybrid“-Teils bestimmt wird.

Abbildung 11 In den A0- und S0-Modi elastischer Plattenwellen (Lamb-Wellen) sind die Hybridisierungsbeiträge (Sh) entgegengesetzt, was zu entgegengesetzten Gesamtspins führt.

Wenn Sie die Symmetrie der Welle an zwei Grenzen steuern möchten, müssen Sie im Allgemeinen an jeder Grenze eine Anregungsquelle installieren, d. h. mindestens zwei Anregungsquellen an unterschiedlichen Positionen. Die Verteilungen der elastischen Spins in den A0- und S0-Modi von Lamb-Wellen sind jedoch entgegengesetzt. Dies bedeutet, dass wir lediglich eine zirkular polarisierte Quelle (chirale Quelle) an einer Grenze installieren müssen, um die Richtung des elastischen Spins in der Nähe der Grenze zu steuern und dadurch die symmetrischen bzw. antisymmetrischen Modi anzuregen.

Abbildung 12. Rückanregung von A/S-Modi mithilfe einer Spinquelle an einer einzelnen Grenze. Eine Gruppe senkrecht zueinander stehender piezoelektrischer Platten kann den Polarisationsmodus in ihrer Umgebung steuern und so ein charakteristisches elastisches Spinsignal anregen.

FIG. 12 zeigt ein Verfahren zum Realisieren einer chiralen Quelle: Durch Verwendung einer Gruppe zueinander senkrecht stehender piezoelektrischer Platten wird die Schwingungsphasendifferenz jeweils in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen gesteuert, sodass die Spinrichtung der durch die chirale Quelle angeregten Schwingung frei gesteuert werden kann. Wenn, wie in Abbildung 12 gezeigt, eine Spinquelle an der unteren Grenze der dünnen Platte einen Modus mit positivem Spin anregt, dann können wir den A0-Modus auf der linken Seite der Quelle (x<0) und den S0-Modus auf der rechten Seite der Quelle (x>0) beobachten.

Bei experimentellen Messungen kann das Frequenzbereichssignal durch Scannen des Felds und Durchführen einer zweidimensionalen Fourier-Transformation der Daten erhalten werden. Durch Vergleich der Messergebnisse mit der theoretischen A0/S0-Dispersion kann unterschieden werden, welcher Modus gemessen wird (Abbildung 13).

Abbildung 13: Experimentelle Messergebnisse, das Signal wird durch eine chirale Quelle mit S>0 angeregt. Auf der linken Seite der Quelle (x < 0) befindet sich das Signal der elastischen Welle auf der Dispersionskurve des A0-Modus, was darauf hinweist, dass es sich bei dem Signal um den A0-Modus handelt. Das Signal auf der rechten Seite der Quelle (x>0) ist der S0-Modus. Dies zeigt, dass die experimentellen Messergebnisse mit den Erwartungen in Abbildung 12 übereinstimmen.

4 Fazit

Aus der Perspektive klassischer Wellen können elastische Wellen im Allgemeinen einen Spin-Drehimpuls tragen. Wir können den Satz von Noether verwenden, um die Form des Spin-Drehimpulses elastischer Wellen durch das Verschiebungsfeld streng zu definieren. Insbesondere hängt die Existenz eines Spin-Drehimpulses nicht davon ab, ob das Verschiebungsfeld eine Rotation aufweist, und das Verschiebungsfeld elastischer Wellen enthält auch Komponenten mit einer Rotation/Divergenz von Null, was ihm eine reichere Spin-Drehimpulsstruktur verleiht. Die neue Perspektive des „Spins“ kann mit der klassischen und ausgereiften Theorie der elastischen Wellen kombiniert werden, um neue Ideen für die Untersuchung elastischer Wellen zu liefern.

Darüber hinaus ging es in der obigen Diskussion nicht viel um die quantisierte Version elastischer Wellen – „Phononen“. Als elementare Anregung eines elastischen Wellenfeldes wird das Phonon als Quasiteilchen betrachtet, das durch den Quantisierungsprozess einer Gitterschwingung entspricht. Im reziproken Raum sind die intrinsischen Eigenschaften von Phononen eng mit den Gesamteigenschaften elastischer Wellen im realen Raum verbunden, ähnlich der Beziehung zwischen elektromagnetischen Wellen und Photonen. Daher sind Phononenspin und elastischer Wellenspin zwei Seiten derselben Medaille und eng miteinander verbunden [2]. Unter Berücksichtigung des grundlegenden Gesetzes der Drehimpulserhaltung können der Spin elastischer Wellen und der Phononenspin auch in Photonenspin, Elektronenspin usw. umgewandelt werden. Wenn es um Prozesse wie die elektroakustische Kopplung, die optomechanische Kopplung, die magnetoelastische Kopplung und die piezoelektrische Kopplung geht, kann uns die Einführung des Spins elastischer Wellen und des Phononenspins dabei helfen, spinbezogene Sensor- und Steuerungstechnologien besser zu erforschen.

Die Forschung zum Drehimpuls ist ein unverzichtbarer Bestandteil der Grundlagenforschung und der technologischen Entwicklung. Wir hoffen, dass mit der Vertiefung unseres Verständnisses des Drehimpulses elastischer Wellen immer mehr interessante, neue und praktische Inhalte entdeckt werden.

Verweise

[1] Physics 51, 855 (2022)

http://www.wuli.ac.cn/article/doi/10.7693/wl20221205

[2] Chinese Physics Letters 39, 126301 (2022)

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/39/12/126301

[3] Proc. Natl. Akad. Wissenschaft 115, 9951 (2018)

https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.1808534115

[4] National Science Review 6, 707(2019)

https://academic.oup.com/nsr/article/6/4/707/5488454

[5] Phys. Ehrw. Lett. 131, 136102 (2023)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.136102

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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