37000cm威尼斯任捷/刘易周团队受邀《物理化学快报》，展望量子声子学领域进展，

近日，37000cm威尼斯声子学中心的任捷教授/刘易周副教授团队受邀在国际知名的物理化学期刊《The Journal of Physical Chemistry Letters》（《物理化学快报》）上，以“Quantum Phononics: From Principles to Engineering”为题（入选补充封面Supplement Cover），发表观点论文。文章详细介绍了“量子声子学”这一前沿领域的研究进展，并展望了其未来发展前景。

图 1 量子声子学研究包括：声子相干态、压缩态、纠缠态、声子自旋、拓扑声子学和非平衡热输运中的量子效应。这些量子声子态被广泛应用于精密测量，引力波探测，量子信息和计算，自旋-动量锁定的声子激光，拓扑声学超材料和对非平衡热输运的控制。

声子相干、压缩及纠缠态——真空态（即粒子数为0，图2（a））是使得一对共轭量（如动量和位置）的涨落满足最小不确定性关系的态。通常的粒子数态（Fock态）的不确定性大于真空态（图2（b））。通过对真空态的平移，可以得到相干态。相干态的平均粒子数不为0，但是其涨落与真空态一样满足最小不确定关系（图2（c））。由于动量和位置的涨落的乘积满足最小不确定性关系，那么我们可以通过牺牲一个共轭量的涨落来压缩另一个量的涨落，从而获得比真空态或相干态涨落更小的态，我们称之为压缩态（图2（d））。对于多模压缩态，如果产生的两个模式是不可分离的，我们称之为纠缠态。对于量子态和经典态的区分，可以利用声子数统计来区分。通过声子计数，可以看到，经典态声子是聚束的（图2（f）），相干态声子是随机分布的（图2（g）），而量子态（Fock态）声子是反聚束的（图2（h））。

图 2 相空间中动量-位置涨落图对应（a）真空态，（b）Fock态，（c）相干态和（d）压缩态。（e）不同的态（蓝色为经典态，红色为相干态，绿色为量子态）所对应的二阶关联函数。 不同的态对应的声子计数情况：（f）聚束（经典态），（g）随机（相干态）和（h）反聚束（量子态）。

单声子态——通常的声学研究基于经典的波,如介质中弹性波，声波，以及水波等。这些系统利用经典波动方程就可以解决，其量子效应被略。而近期的表面声波的研究逐渐关注到其量子效应。在单声子水平下，操控量子声学是实现声子量子计算的先决条件，已有实验实现了单声子表面声波。此外，利用声子分束器劈裂单个表面声波声子，可以实现单声子干涉仪，并进一步产生双声子干涉。

本征纵波声子自旋——通常人们认为纵波没有自旋，然而从量子场论的角度看，由于拉格朗日密度的局域旋转不变性，矢量场应具有自旋1的固有角动量。声子作为弹性位移场的量子，与光子一样是自旋1的准粒子。2018年，任捷课题组提出了包括纵向和横向位移场的自旋角动量的一般表述。声子自旋在空间反射下不变，在时间反演下反向。当时间反演对称性保持，而空间反射对称性被破坏时，系统具有自旋-动量锁定的效应。利用自旋-动量锁定，可以实现单向的声子输运。

37000cm威尼斯声子学中心成立已有13余年。其量子声子学团队长期从事量子声子学相关研究，在相干声子态（声子激光），声子自旋等方面取得一系列突破，近期代表性成果如：利用量子相干降低声子激光的产生阈值(Phys. Rev. Applied 19, 054093 (2023))，发现弹性波固有自旋（PNAS 115, 9951 (2018)），弹性波自旋轨道耦合(PNAS 121,e2411427121 (2024)），弹性波反常自旋动量锁定效应(Phys. Rev. Lett.131, 136102 (2023))，近期我们还发现了一种固体晶格材料当中的声子集体自旋，它可以通过红外吸收表现出来（arXiv:2506.12695）。

该工作第一作者为博士后雷长勇，王子博士和杨晨温博士对该工作做出重要贡献，刘易周副教授和任捷教授为文章共同通讯作者。37000cm威尼斯为论文唯一通讯单位。该研究得到了科技部重点研发，国家自然科学基金，上海市优秀学术带头人、原创探索等项目资助。

论文连接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.5c00951.