综述：手性声子学的兴起：从基本概念到新兴的准粒子相互作用

《Annual Review of Fluid Mechanics》：The rise of chiral phononics: From fundamental concepts to emergent quasiparticle interactions

　　摘要：发现晶格振动能够携带内在角动量，这一发现从根本上拓展了声子的概念，使得声子手性成为凝聚态物理学中一个充满活力的新研究领域。本综述全面概述了量子材料中声子手性的基本原理、实验进展以及日益丰富的应用前景。我们首先阐述声子手性的历史发展以及声子角动量的理论基础，重点介绍反演对称性和时间反演对称性破缺所起的关键作用。接着系统梳理了声子角动量的产生机制，包括通过温度梯度产生的动态诱导、利用偏振光实现的超快控制，以及通过电荷电流实现的非平衡驱动。随后，我们详细介绍了各种先进的实验技术——从具有手性分辨能力的拉曼光谱和泵浦-探测光谱到非弹性X射线散射——这些技术使得人们能够在不同材料体系中直接观测和操控手性声子。综述的很大一部分内容致力于探讨手性声子所带来的独特传播特性以及新的器件构想，包括声子角动量霍尔效应、手性声子二极管以及拓扑保护的声子传输。此外，我们还深入研究了手性声子与其他量子实体——自旋、磁振子、光子和电子——之间的相互作用，强调了它们在角动量传递中的作用，以及作为驱动量子材料中新兴准粒子相互作用的关键因素。通过综合重要的理论和实验进展，本综述不仅展现了当前的研究水平，还指出了未来的发展方向，凸显了声子手性在理解和控制量子材料性质方面的巨大潜力。

引言：声子概念源于早期对固体热性能的研究。爱因斯坦提出的晶格振动量子化模型[1]首次从微观层面解释了低温下经典比热值的偏差，而德拜的连续介质模型[2]则引入了声学振动模式，并阐明了低温下比热随温度变化的立方规律。伯恩和冯·卡门[3]发展的正常模式描述进一步为晶格动力学提供了经典基础，后来这一理论在量子力学框架下被重新阐释为离散振动量子的理论。20世纪30年代，弗伦克尔提出了“声子”这一术语[4][5]，从此晶格振动被确立为能够携带能量和晶体动量的准粒子。此后，声子理论成为凝聚态物理学的核心支柱之一。它有助于理解绝缘体和半导体中的热传导现象[6][7][8]，金属和超导体中的电子-声子耦合[9][10][11]，以及极化子效应和光学响应中光学声子与电磁场的相互作用[12][13][14]。在更广泛的背景下，声子起到了连接微观原子运动与宏观材料性质的重要桥梁作用。

近期的研究进一步拓展了这一传统观点，不仅关注声子的能量和动量，还重视其内部的旋转自由度以及与对称性相关的自由度。其中一个活跃的研究方向就是声子手性研究[15]，它涉及那些原子运动具有手性或角动量的振动模式。通常以手性声子来描述的圆偏振或椭圆偏振晶格振动，为研究局部原子旋转、晶体对称性以及角动量传递之间的相互关系提供了理想场景。在具有合适晶体对称性、能谷对称性或磁性对称性的多种材料体系中，都已发现或提出了这类振动模式[17]。它们为解决长期存在的角动量传递问题提供了新视角，比如超快退磁现象[18]，同时也促使人们预测出与声子角动量相关的各种现象，如声子埃德尔斯坦效应[19]、声子角动量霍尔效应[20]以及声子巴内特效应[21]。

声子手性的重要性不仅体现在对单个振动模式的表征上。由于具有手性或能携带角动量的声子可以有选择地与其他自由度发生耦合，因此它们成为了在不同材料体系之间传递对称性、角动量和手性的一种重要途径。它们与光子[22]、磁振子[23]、激子[24]、等离子体[25]以及电子的相互作用，为调控材料的光学、磁性、电子学和热学响应带来了新的可能。这些发展也激发了人们在自旋电子学[26]、多功能器件[27]以及对手性敏感的分子和生物分子系统[28]等方面的应用探索兴趣。与此同时，实验技术也取得了飞速发展。光学泵浦激发[29]、圆偏振拉曼光谱[30]以及X射线散射[31]等技术，使得人们能够产生、检测并区分具有不同手性的声子模式。相关的研究材料体系也从早期的过渡金属硫属化合物[29]，扩展到了手性晶体[32]、异质结构[33]、莫尔结构[34]、人工超材料[35]以及生物分子晶体[28]等。这些进步表明，声子手性已经从对原子振动手性的模式级描述，发展为一种将晶格动力学与磁性、光学、传输特性、自旋物理以及量子材料紧密联系起来的更广泛的理论框架。

随着该领域的不断发展，用于描述旋转和手性晶格动力学的术语也在不断演变。早期的研究多强调原子运动的圆周或椭圆形态以及相应的声子角动量，而后来的研究则引入了更多概念，如能谷选择性声子、伪角动量、声子螺旋度以及基于对称性的手性定义。这些概念并非同时出现或出于相同目的而提出，而是源于不同的理论动机、实验手段以及材料背景。因此，仅依靠孤立的定义是无法完全理解它们的物理含义。所以，从历史角度出发，对于理解该领域是如何从描述局部原子旋转发展到更全面地认识振动手性的形成机制、其在对称操作下的变化方式以及与固体中其他自由度的耦合关系，具有至关重要的意义。

本综述旨在对声子手性及相关旋转晶格现象的最新进展进行系统性回顾。我们没有罗列各个独立的研究成果，而是围绕几个核心主题展开讨论：声子手性的历史发展、具有手性振动模式的微观起源、对称性在限制声子角动量和手性方面的作用、产生和检测手性声子的实验方法，以及声子手性对材料传输特性、磁性、光学性质和量子材料的影响。此外，我们还探讨了该领域目前的一些新兴应用以及限制对其形成统一理解的一些尚未解决的问题。

本综述的其余部分结构如下：第2节介绍声子手性的概念，包括其起源、真手性与假手性的区别，以及相关概念的最新发展。第3节探讨声子角动量，涵盖其微观定义、对称性约束、外场驱动下的产生机制以及实验进展。第4节回顾了在不同材料体系中对手性声子的实验观测和操控方法，重点分析其传播特性、控制方式、应用前景以及相关的磁性和热效应。第5节研究手性声子与其他自由度之间的相互作用，包括自旋、磁振子、光子及电子，重点关注角动量传递、手性声子介导的传输过程以及相关的量子现象。最后，第6节总结当前尚未解决的问题，并提出未来可能的研究方向。

片段摘录：

声子手性： “手性”一词源自希腊语“cheir”，意为“手”。开尔文勋爵首次使用这一术语来描述物体的一种几何特性，即该物体无法与其镜像重叠，左右手就是典型的例子[36]。从那时起，手性的含义已远远超越了最初的几何意义，它已成为物理学诸多领域中的一个核心概念，涵盖了从粒子物理学中的宇称相关现象[37]到手性费米子等多个方面。

声子角动量： 声子手性概念为认识晶格振动的旋转自由度提供了重要途径。正如前文所述，具有圆偏振或椭圆偏振特性的晶格振动模式往往表现出原子运动的定向性，在很多情况下还能携带声子角动量。这一额外的自由度拓展了传统上将声子视为仅由能量和晶体动量构成的准粒子的观念。与宏观刚体旋转不同，

手性声子的实验观测、材料体系及应用： 手性声子概念通过将声子模式与手性、原子运动的圆周或椭圆形态联系起来，并在适当情况下考虑声子角动量，从而丰富了人们对晶格动力学的传统认知。尽管这些量通常在声子本征矢量的层面上被定义和分析，但只有当它们与实际材料中的可观测实验现象相联系时，其实际的物理意义才能得以确定。这就需要将微观层面的

手性声子与其他准粒子的相互作用： 如第3节声子角动量、第4节手性声子的实验观测、材料体系及应用中所综述的，关于声子手性的研究极大地拓宽了声子物理的研究范畴，人们的关注点从传统的声子能量和群速度等量，转向了与声子角动量及手性声子相关的新兴特性。考虑到凝聚态系统中固有的复杂多体关联现象，以及声子手性在其中的核心作用，

总结： 手性声子的发现使人们对晶格动力学的传统认知发生了变革，这种认知不再仅仅以声子能量和晶体动量为核心，而是还将原子运动的旋转特性纳入考虑范围。在本综述中，我们总结了手性声子学领域的最新研究成果，重点探讨了声子手性、声子角动量、对称性约束、产生机制、实验检测方法、适用材料体系以及手性声子与其他准粒子的相互作用。核心观点是

作者贡献声明：洪顺：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、可视化、软件应用、方法设计、实验研究、形式分析、数据整理、概念构建。王婷婷：撰写——初稿、可视化、软件应用、方法设计、实验研究、形式分析、数据整理、概念构建。陈子涵：撰写——初稿、可视化、形式分析、数据整理、概念构建。王毅：撰写——初稿、形式分析、数据整理。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFA1407001）、江苏省科学技术厅项目（BK20220032）、国家自然科学基金（12504013）以及江苏省基础研究计划（BK20250647）的支持。

洪顺|王婷婷|陈子涵|王毅|李晓哲|陈浩|张丽发
中国南京师范大学物理与技术学院，物理前沿与交叉科学研究所，量子输运与热能科学中心，江苏省纳米材料与表面科学重点实验室，江苏省声子工程研究中心，南京，210023