近日，同济大学物理科学与工程学院刘易周/任捷教授量子声子学团队在国际物理学著名期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表重要研究成果“Collective interference of phonon spin and dipole moment rotation induced circular dichroism”，首次揭示了量子声子学中声子自旋的集体干涉本质，打破了学界对声子角动量的传统认知，为声子自旋相关的多物理场耦合理论发展提供了全新基础。研究表明，在离散晶体中，声子自旋角动量并非仅由原子绕其平衡位置的圆极化振动贡献，还包含不同子晶格间振动干涉所贡献的集体干涉自旋项，这是本次工作的核心突破。

基于这一新机理，团队进一步发展了声子自旋与光自旋的耦合理论，预言了集体干涉声子自旋在手性材料中诱导的圆二色效应——即材料对左旋与右旋圆偏振光表现出选择性吸收差异。该成果打破了对声子角动量的传统认知，有望拓展包含声子自旋在内的多物理场角动量耦合理论，不仅深化了对量子声子学基础物理的理解，更为红外探测、手性光学精密传感、量子调控等领域的应用研究提供了新原理与新方案。

具体的，晶格中的集体干涉声子自旋可作如下理解：对于一个宏观弹性介质，其弹性波自旋角动量密度为，其中代表“宏观无穷小”介质微元的振动位移矢量，如图1（a）。

图1、（a）连续介质中的弹性波自旋（b）简单晶格和复式晶格中的声子自旋 

然而，宏观无穷小并非物理上的最小单元，其内部仍可能包含大量原子的振动自由度，如图1（b）所示，因此宏观位移场应写为各微观自由度的集合：（为第 i 个原子的振动位移）。由此，总的弹性角动量可展开为：

其中第一项为原子绕自身平衡位置旋转的局域自旋项，第二项为不同原子振动之间的干涉项。后者正是本工作的核心发现。

一个重要科学问题是：能带来哪些可观测的物理效应？本文基于二阶量子微扰论发现，晶体材料中的红外圆二色性正比于所诱导的离子电偶极矩旋转。团队进一步系统计算了多种手性晶体材料的圆二色响应，发现手性石英晶体在31.2 THz附近具有近乎完美的圆二色效应——即材料能够选择性地只吸收左旋光而几乎不吸收右旋光，或反之（如图2所示）。第一性原理计算表明，该频率处的完美圆二色效应中，超过95%的贡献来自所诱导的电偶极矩旋转。这些发现为后续包含声子角动量的多物理场耦合理论奠定了重要基础。

图2、（a）右手性石英晶体结构及布里渊区（b）石英声子色散关系，颜色表示局域自旋Sz的符号及大小（c）石英声子色散关系，颜色表示偶极矩旋转𝓡z的符号及大小（d）入射角θ分辨的红外圆二色性（ICD） 

同济大学物理科学与工程学院刘易周副教授为论文第一作者，博士生谭宇涛为共同第一作者，任捷教授为通讯作者，博士生刘大鹏也为研究作出重要贡献。该研究工作得到科技部国家重点研发计划、“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项、国家自然科学基金、上海市学术带头人、原创探索等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/8w63-d7h7